[发明专利]一种基于多目标遗传算法的复合材料螺旋桨铺层优化方法

权利要求书

1.一种基于多目标遗传算法的复合材料螺旋桨铺层优化方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：基于仿真软件建立复合材料螺旋桨模型，以金属螺旋桨桨叶中面为对称中心定义复合材料层合板各铺层角度来完成纤维复合材料铺层，并导入金属螺旋桨叶压力面及吸力面模型来约束复合材料铺层外形，最终实现复合材料螺旋桨有限元模型的建立；

所述纤维复合材料铺层方式包括单向或编织铺层方式；

步骤二：将步骤一中建立的复合材料螺旋桨有限元模型导入有限元分析软件以计算桨叶结构响应，并通过添加边界条件，设置流固耦合交界面，进而对复合材料螺旋桨流场进行雷诺时均N-S方程(RANS)求解计算得到流固耦合作用下的螺旋桨流场水动力载荷；

步骤三：将复合材料螺旋桨流体动力分析模块与结构有限元分析模块相耦合，采用分步算法进行双向流固耦合计算，得到水动力性能数据，所述水动力性能数据包括推进效率η；

步骤四：根据步骤三双向流固耦合计算所得的复合材料螺旋桨的推进效率建立多目标适应度函数F(t)，通过多目标适应度函数F(t)建立铺层角与推进效率之间的关系；以整数编码方式对铺层角度进行编码以建立初始种群N，对种群中的各铺层角组合进行适应度计算，依据适应度计算所得推进效率结果选择再生个体，通过遗传算法的优胜略汰完成对高效铺层角组合的筛选组成群体S1；进而按照交叉变异对其种群中的单个个体的铺层角角度进行随机变化，得到新一代种群即新的铺层角组合集群；经过若干代的进化迭代后，得到最优个体，也即最优的铺层角度组合，即完成基于多目标遗传算法的复合材料螺旋桨铺层优化。

2.如权利要求1所述的一种基于多目标遗传算法的复合材料螺旋桨铺层优化方法，其特征在于：还包括步骤五，利用步骤五得到的复合材料螺旋桨铺层角组合，使经过铺层角优化的复合材料螺旋桨的推进效率和推力系数满足所需工况要求，且使经过铺层角优化的复合材料螺旋桨的推进效率在设计工况下与刚性桨等同，而在非设计工况下优于刚性桨，进而拓宽复合材料螺旋桨工作的高效区，提高复合材料螺旋桨推力效率，解决复合材料螺旋桨应用领域工程技术问题。

3.如权利要求2所述的一种基于多目标遗传算法的复合材料螺旋桨铺层优化方法，其特征在于：步骤五所述解决复合材料螺旋桨应用领域工程技术问题包括，使经过铺层角优化的复合材料螺旋桨的推进效率和推力系数满足所需工况要求，进而延长螺旋桨的使用寿命，提高其水动力性能与噪声性能，节约能源，提高经济效益。

4.如权利要求1、2或3所述的一种基于多目标遗传算法的复合材料螺旋桨铺层优化方法，其特征在于：步骤二具体实现方法为，将步骤一中建立完成的复合材料螺旋桨有限元模型导入有限元分析软件以计算桨叶结构响应，添加螺旋桨转速、固定约束边界条件，并将复合材料螺旋桨桨叶设置为流固耦合交界面；复合材料螺旋桨结构控制方程为其中，[Ms]为结构质量矩阵，[Cs]为结构阻尼矩阵，[Ks]为结构刚度矩阵；{X}即结构位移、即结构速度、即结构加速度；F_CFD代表通过CFD软件求解的流固耦合作用下结构所受流场力；在数值模拟中，先从流场计算得到流体作用在结构上的载荷，载荷再通过流固耦合作用面传递给结构场，结构在载荷的作用下发生变形，流场根据结构场的变化更新网格，再次进行流场计算又得到作用在结构上的载荷；结构场与流场的计算交替进行，直至计算精度达到要求；对复合材料螺旋桨流场进行雷诺时均N-S方程(RANS)求解，封闭雷诺时均N-S方程；通过超算得到复合材料螺旋桨流场水动力载荷。