[发明专利]一种结构与水弹性一体化螺旋桨设计方法

权利要求书

1.一种结构与水弹性一体化螺旋桨设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：采用参数化方法对复合材料螺旋桨的外形几何模型和材料结构模型进行参数化建模；外形几何模型依据的外形参数为螺距P、弦长C和侧斜角θ_s，且螺距和弦长无量纲化后表示为P/D,C/D,D表示螺旋桨直径；材料结构模型依据的结构参数为螺旋桨复合材料铺层角度序列；

步骤2、针对螺旋桨的结构和水弹性一体化设计采用多目标设计优化算法来确定设计过程中的目标和约束：

以螺旋桨多个运行条件下，即进速比J＝V/nD不同，水动力推进效率η＝JK_T/2πK_Q最大和振动性能中螺旋桨自然频率远离激振频率为设计目标；约束为水动力性能中的推力要求，即K_T≥K_T0，结构性能中的强度满足Tsai-Wu强度准则；其中推力系数K_T＝T/ρn²D⁴，扭矩系数K_Q＝Q/ρn²D⁵，K_T0为螺旋桨设计推力要求；

步骤3、根据步骤1建立的外形几何模型和结构模型确定优化设计的变量：

采用非均匀B样条方法拟合各外形几何参数沿桨叶半径的分布，提取螺旋桨外形设计变量，同时采用将离散值的铺层角度θ转换为设计变量s的连续值，确定了螺旋桨结构设计变量；将外形设计变量与结构设计变量整合到一起，所有设计变量的取值范围组成一体化设计空间；

步骤4、建立螺旋桨结构与水弹性一体化优化数学模型：

Min f₁(x₁,x₂),f₂(x₁,x₂)

x₁∈S₁,x₂∈S₂

s.t.g₁(x₁,x₂)≤0,g₂(x₁,x₂)≤0

其中，f₁表示水动力性能优化目标函数，f₂表示振动性能优化目标函数；x₁表示控制螺旋桨外形的设计变量，x₂表示决定螺旋桨桨叶材料结构的设计变量，S₁和S₂分别表示控制外形和结构的变量范围；g₁表示水动力性能中的推力约束，g₂表示结构强度中的Tsai-Wu强度准则约束；

步骤5、根据优化目标不同建立不同的代理模型：

i)初始化样本空间：使用优化拉丁超立方方法OLHS在一体化设计空间里进行最优采样，n_a为所有设计变量的数量；设定初始样本数为M＝2*n_a；其中结构设计变量采用步骤3的转换方式，将连续性设计变量s转换为离散设计变量θ；

ii)计算样本空间中的目标响应和约束：根据样本空间中的设计变量进行参数转换，得到具体几何参数分布与离散结构参数，根据步骤1建立复合材料螺旋桨三维模型，采用计算流体软件和有限元计算软件耦合对样本进行数值计算，得到多目标响应f₁，f₂和约束g₁，g₂；

iii)根据不同的目标分别构建代理模型：采用基于径向基函数的方法，利用初始样本点(x₁,x₂)和对应的f₁，f₂构造两个独立的代理模型，预报设计变量对应的目标响应；

步骤6、基于多目标遗传算法的优化设计：

i)依据步骤5当前样本空间的数据建立帕累托解集、可行解数据；

ii)调用多目标遗传算法NSGA-II搜索步骤5建立的两个独立的代理模型组成的多目标问题的帕累托解集，删除其中与已有样本重复或者相近的解，调用仿真模型计算相应的目标和约束值；

iii)将得到的新的解集加入数据库，并更新帕累托前沿、可行解数据；

iv)根据一般距离判断是否满足收敛准则：

其中GD表示当前帕累托解集到真实解集的一般距离，m代表当前帕累托解集的数量，d_i表示当前解集的第i个解与真实解集中每一解的距离，选择其中最小的距离；如满足，则输出最优解集，不满足则返回步骤5，采用加点策略将预测得到的帕累托前沿中的点，通过数值计算得到其真实值并加入原始样本中，进行样本更新，并更新代理模型并重复步骤6。