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预埋光纤光栅传感器的碳纤维复合材料螺旋桨水下动应变在线测试

雷智洋 王春旭 吴崇建 丁国平 严小雨

雷智洋, 王春旭, 吴崇建, 等. 预埋光纤光栅传感器的碳纤维复合材料螺旋桨水下动应变在线测试[J]. 中国舰船研究, 2022, 17(2): 183–189, 205 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02323
引用本文: 雷智洋, 王春旭, 吴崇建, 等. 预埋光纤光栅传感器的碳纤维复合材料螺旋桨水下动应变在线测试[J]. 中国舰船研究, 2022, 17(2): 183–189, 205 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02323
LEI Z Y, WANG C X, WU C J, et al. Underwater online dynamic strain test of CFRP propeller with embedded FBG sensors[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2022, 17(2): 183–189, 205 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02323
Citation: LEI Z Y, WANG C X, WU C J, et al. Underwater online dynamic strain test of CFRP propeller with embedded FBG sensors[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2022, 17(2): 183–189, 205 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02323

预埋光纤光栅传感器的碳纤维复合材料螺旋桨水下动应变在线测试

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02323
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51775400)
详细信息
    作者简介:

    雷智洋,男,1990年生,博士生

    王春旭,男,1981年生,博士

    吴崇建,男,1960年生,博士

    丁国平,女,1979年生,博士,教授。研究方向:光纤传感测试

    通信作者:

    丁国平

  • 中图分类号: U664.33

Underwater online dynamic strain test of CFRP propeller with embedded FBG sensors

知识共享许可协议
预埋光纤光栅传感器的碳纤维复合材料螺旋桨水下动应变在线测试雷智洋,等创作,采用知识共享署名4.0国际许可协议进行许可。
  • 摘要:   目的  碳纤维复合材料(CFRP)螺旋桨具有轻质高强、低振动、低噪音、耐腐蚀、抗疲劳等优势。为了准确获知CFRP螺旋桨桨叶在水动力载荷下的变形和应变,提出一种水下运转状态下CFRP螺旋桨动应变在线测试方法。  方法  将光纤光栅(FBG)传感器预埋于CFRP螺旋桨,搭建CFRP螺旋桨水下动应变测试系统,设置2类测试工况:进速为0 m/s,转速从50~400 r/min依次增加;转速保持427 r/min不变,进速从0~1.6 m/s依次增加。通过FBG传感器采集上述2类工况下CFRP螺旋桨的动应变数据,对动应变数据进行时域和频谱分析。  结果  结果表明,CFRP螺旋桨上各测点的动应变特征频率一致,且与转速相关;各测点的动应变峰值取决于测点位置,即螺旋桨的结构力学特征。  结论  实现了CFRP螺旋桨在水下运转状态下的动应变在线测试,测试结果合理可靠,可为CFRP螺旋桨的理论设计和分析提供重要的实证依据,对研究螺旋桨振动噪声和水动力性能具有重要意义。
  • 图  1  金属-CFRP桨叶结构

    Figure  1.  Metal−CFRP blade

    图  2  光纤光栅传感原理

    Figure  2.  FBG sensing principle

    图  3  光纤光栅的波分复用技术原理图

    Figure  3.  FBG wavelength-division multiplexing principle

    图  4  桨叶内预埋FBG传感器位置示意图

    Figure  4.  Schematic diagram of the position of the FBG sensor in the blade

    图  5  FBG传感器中心波长及间距

    Figure  5.  Center wavelength and distance of FBG sensors

    图  6  预埋FBG传感器的CFRP螺旋桨

    Figure  6.  CFRP propeller with embedded FBG sensors

    图  7  CFRP螺旋桨水下动应变测试系统示意图

    Figure  7.  Scheme of CFRP propeller underwater strain measurement system

    图  8  CFRP螺旋桨水下动应变在线测试系统

    Figure  8.  CFRP propeller underwater strain measurement system

    图  9  CFRP螺旋桨水下动应变在线测试

    Figure  9.  CFRP propeller underwater strain online measurement

    图  10  不同转速下预埋FBG传感器的应变曲线

    Figure  10.  Embedded FBG sensors strain curves with different rotation speed

    图  11  不同进速下预埋FBG传感器的应变曲线

    Figure  11.  Embedded FBG sensors strain with different velocity

    图  12  CFRP螺旋桨的敞水特性曲线(n=427 r/min)

    Figure  12.  Open water character of CFRP propeller (n=427 r/min)

    图  13  CFRP螺旋桨与金属螺旋桨敞水特性比较

    Figure  13.  Comparison of open water character between CFRP propeller and metal propeller

    表  1  CFRP螺旋桨主要参数

    Table  1.   Main parameters of CFRP propeller

    名称数值
    桨直径/ mm240
    桨叶数 /片5
    毂径比0.175
    盘面比0.8
    桨叶侧斜角/(°)24.50
    桨叶总纵倾角/(°)8
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    表  2  不同转速下CFRP螺旋桨应变特征频率与峰值

    Table  2.   Frequency and amplitude of strain with different speeds

    r/(r·min−1)APF/Hz应变特征频率/Hz应变峰值/10−6
    FBG2-1FBG2-2FBG2-3FBG2-1FBG2-2FBG2-3
    500.8331.6361.6361.6369.45017.1707.011
    1001.6673.3393.3393.3399.12116.0466.564
    1502.5004.9684.9684.96810.09617.9747.205
    2003.3336.6456.6456.6459.06315.1406.557
    2504.1678.3338.3338.3338.82314.2136.367
    3005.00010.0510.0510.0510.19617.0807.962
    3505.83311.6611.6611.6610.08417.0677.833
    4006.66713.3313.3313.337.20614.0187.104
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    表  3  不同进速下CFRP螺旋桨应变特征频率与峰值

    Table  3.   Frequencies and amplitude of strain with different velocities

    v/(m·s−1应变特征频率/Hz应变峰值/10−6
    FBG2-1FBG2-2FBG2-3FBG2-1FBG2-2FBG2-3
    0.0 14.2 14.2 14.2 7.124 12.93 6.734
    0.2 14.2 14.2 14.2 8.513 12.52 6.822
    0.4 14.2 14.2 14.2 8.485 13.50 6.736
    0.6 14.2 14.2 14.2 8.218 12.66 6.669
    0.8 14.2 14.2 14.2 7.856 13.74 6.811
    1.0 14.2 14.2 14.2 7.794 13.06 6.595
    1.2 14.2 14.2 14.2 8.752 13.14 6.585
    1.4 14.2 14.2 14.2 8.56 13.17 6.760
    1.6 14.2 14.2 14.2 7.841 12.05 6.835
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-18
  • 修回日期:  2021-05-22
  • 网络出版日期:  2022-03-31
  • 刊出日期:  2022-04-20

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