基于多传感器融合的船用复合材料螺旋桨叶片三维降阶模型数字孪生研究

为解决船用碳纤维增强塑料(CFRP)螺旋桨叶片在水冲击工况下的力学状态监测难题，研究人员提出了一种融合多传感器信号(SDAE降噪)与多保真度代理模型(MFS)的数字孪生框架，通过三维降阶模型(3DROM)实现98%的流速识别精度和89%的力学场预测效率，为复合材料桨叶实时健康监测提供创新解决方案。

　　

在海洋工程领域，碳纤维增强塑料(CFRP)螺旋桨因其轻量化、高强度和耐腐蚀特性逐渐替代传统金属材料。然而，这种各向异性复合材料在复杂水流冲击下的层间力学状态难以通过常规理论解析，导致其安全性能评估成为行业痛点。现有研究多聚焦单一损伤检测，缺乏对桨叶全生命周期力学行为的实时预测能力。

为解决这一难题，来自辽宁工程技术大学等机构的研究团队在《Ocean Engineering》发表论文，创新性地构建了融合物理传感与计算模型的数字孪生系统。该研究首先通过流体-结构相互作用(FSI)仿真获取不同流速下CFRP桨叶的力学响应数据，同时在实体桨叶嵌入6个应变传感器构建物理监测系统。针对传感器信号中的噪声干扰，采用多层堆叠降噪自编码器(SDAE)进行特征提取，结合Softmax分类器实现98%的流速识别准确率。为提升计算效率，团队开发了三维降阶模型(3DROM)，在保留层间力学特性的前提下将计算速度提升11.2倍，并通过多保真度代理模型(MFS)整合高精度实验数据与降阶模型预测结果。

关键技术包括：1) 基于Hypermesh和Ansys Workbench的FSI仿真；2) 嵌入式应变传感器网络构建；3) SDAE信号降噪与特征融合算法；4) 3DROM维度缩减技术；5) MFS多源数据融合建模。

研究结果揭示：
• CFRP桨叶特性：数值仿真验证了CFRP材料参数（如纵向拉伸强度X_t和压缩强度X_c）对水冲击响应的显著影响。
• 多传感器融合：SDAE有效消除89%的环境噪声，特征融合后的流速识别误差仅2%。
• 实验验证：在真实水域测试中，3DROM-MFS模型对层间应力分布的预测精度达89%，满足工程应用需求。
• 计算效率：相比传统方法，3DROM使MFS响应时间缩短至1/11.2。

结论部分强调，该数字孪生框架首次实现了CFRP螺旋桨层间力学状态的在线预测，其创新性体现在：1) 通过SDAE解决多传感器信号漂移问题；2) 3DROM-MFS组合模型突破计算效率瓶颈；3) 为复合材料桨叶的智能运维提供可视化分析工具。研究获得辽宁省应用基础研究计划等项目支持，相关技术可拓展至风机叶片、航空复合材料等健康监测领域。