传统的螺旋桨常采用镍铝青铜等合金制造，近年来复合材料开始应用于舰船用螺旋桨的制造中。利用复合材料独特的材料和力学性能，通过设计合理的铺层方案设计，结合螺旋桨的几何设计，可以提高复合材料螺旋桨的水动力性能，实现节能效果。但是因为复合材料螺旋桨的变形较大，这与金属桨设计时忽略其变形有很大的区别，使得传统上金属桨的设计方法并不能完全适应复合材料螺旋桨的设计。复合材料螺旋桨的设计方法需要结合复合材料的特性在传统金属桨的设计方法上进行改进。国内外学者已提出了复合材料螺旋桨的两层设计（材料设计、几何设计）方法。本文在实现这种方法过程中进行了改进，着重考察了铺层方案对复合材料螺旋桨桨叶的变形、应力分布和螺旋桨水动力性能的影响，进而设计了一个复合材料螺旋桨，实现了其在多个工况下的船机桨匹配，并对复合材料螺旋桨效率提升的影响因素进行了探讨。论文首先对复合材料螺旋桨的强度、变形以及振动特性进行数值计算分析，研究了复合材料螺旋桨的应力和变形特点，以及不同铺层方式对桨叶应力分布及干湿模态的影响规律；然后采用BEM/FEM耦合分析方法对复合材料螺旋桨的性能进行预报，并通过对几种典型的单向和多向铺设方案的复合材料螺旋桨在定常流场中的水动力性能计算，研究了不同铺层方案对螺旋桨水动力性能的影响，得到相关的结论可以为复合材料螺旋桨的铺层设计提供指导。最后通过预变形设计方法进行几何设计，并实现了某船复合材料螺旋桨在设计工况和非设计工况下的船机桨匹配，进而评估了所设计的复合材料螺旋桨的推进效率和节能效果，并与相应的传统金属螺旋桨进行了对比。论文研究表明，复合材料螺旋桨在设计工况下的性能与金属桨保持一致，在非设计工况下的水动力性能有所提升，使得复合材料螺旋桨有1%~2%的节能效果。