围壳舵是控制潜艇上浮和下潜的关键操纵部件,它是一种典型的水下升力体。大量的理论和实验研究结果表明,水下升力体在航行过程中有可能发生颤振,这种特殊的振动现象会对升力体造成结构损坏或激发水噪声问题。近些年来,随着新型材料的迅猛发展,舰船装备具有轻量化的趋势,即在确保稳定提升性能的基础上通过使用新型材料来减轻各部件的质量,但采用新材料会使围壳舵系统的质量比大大降低。然而,现有的研究主要针对具有较高质量比的机翼或舵系统,对低质量比舵-轴系统流致振动特性的研究很少,因此对该问题的研究有重要学术意义和实际应用价值。本文在对国内外相关研究成果进行综述和总结的基础上,以某潜艇围壳舵系统为原型,通过开展低质量比舵-轴系统流致振动特性的系列实验,研究低质量比舵-轴系统发生颤振的可能性,提出了颤振的辨别方法,获得了颤振速度随系统参数的变化规律。在此基础上,通过对经典Theodorsen颤振理论模型中的系数进行修正,并将理论与实验结果进行比较分析。同时,将翼型系统两自由度运动方程和CFD计算相结合,利用数值模拟方法分析了低质量比舵-轴系统的振动形态以及舵周围流场的变化特性。具体研究内容如下:第二章阐述了低质量比舵-轴系统振动特性实验所涉及的实验系统及实验方法,给出了系统主要参数的标定过程。该舵-轴模型是一种具有多种可变参数的复杂机构,在实验中综合考虑了支撑刚度、扭转刚度、初始攻角、重心位置、刚心位置以及来流速度的变化对系统振动形态的影响。实验中采用等截面和非等截面两种模型舵,其中等截面舵主要考虑支撑刚度、扭转刚度以及来流速度对系统振动特性的影响,而非等截面舵还考虑了重心位置、刚心位置和初始攻角的影响。系统的沉浮运动利用舵稍的振动数据进行分析,而俯仰运动依据扭转杆件上的加速度传感器所采集的数据。基于实验结果分析了各参数发生变化时低质量比舵-轴系统沉浮运动和俯仰运动的响应特性。此外,还利用频谱分析方法研究了不同来流速度下系统振动频率以及对应幅值的变化规律。第三章对经典Theodorsen两自由度运动求解模型中的系数进行修正,结合V-g法,发展了低质量比舵-轴系统颤振分析的理论方法。与高质量比翼型不同,低质量比翼型需要考虑附加质量对结构振动的影响,因此利用附加质量修正系数和环量修正系数对经典Theodorsen两自由度运动方程进行修正。同时,利用该修正后的方程计算了低质量比舵-轴系统在不同参数组合下的颤振速度,依据所得的V-g曲线形状得到了两种不同类型的颤振特征,分析了两类颤振的区别。将理论计算与实验结果进行比较,验证了经修正Theodorsen两自由度运动方程的合理型,进而得到系统主要参数对其颤振发生以及颤振速度的影响规律。此外,发展了低质量比舵-轴系统两自由度运动的计算方法,获得了不同来流速度下系统沉浮运动和俯仰运动的时域振动特性,包括相轨线以及对应的频域变化规律等。第四章利用CFD技术,结合流固耦合方法,对低质量比舵-轴系统在不同流速条件下的振动特性开展了瞬态模拟研究。计算的流速分别选取了非等截面舵-轴系统流致振动特性实验中系统进行衰减运动和颤振发生时的流速,将系统沉浮加速度和俯仰角加速度时历变化的计算和相关实验结果进行比较。在此基础上,通过观察系统在衰减运动和颤振发生时的运动幅度、加速度、所受升阻力以及舵表面压力分布的变化特性,研究了系统的运动特性和水动力特性,以及舵表面涡量变化、系统运动对流场的影响等。