[发明专利]一种结构与水弹性一体化螺旋桨设计方法

说明书

本发明涉及一种结构与水弹性一体化螺旋桨设计方法，使用非均匀B样条方法对叶片外形主要参数螺距、弦长与侧斜角分布进行样条化，减少叶片几何建模所需要的参数数量，建立了几何外形和结构的参数联系；以铺层角度作为复合材料螺旋桨叶片结构的主要设计参数，并将离散值(铺层角度)转换成实数值(设计变量)。根据螺旋桨结构与水弹性耦合特点，结合基于径向基代理模型的多目标优化设计方法，本发明提出一种一体化优化框架进行螺旋桨减振优化设计，以提高推进性能和减振性能。

技术领域

本发明属于复合材料螺旋桨设计技术，涉及一种结构与水弹性一体化螺旋桨设计方法，具体涉及一种基于径向基代理模型优化的结构与水弹性一体化复合材料螺旋桨减振设计技术。

背景技术

近年来，随着我国对海洋资源的开发和海洋环境的探索日益深入，对航海工程技术的要求也越来越高。相较于金属材料螺旋桨，复合材料螺旋桨多采用有机材料和无机非金属材料加工而成，在足够强度条件下，具有更轻的质量。相较于金属材料，复合材料具有更高的阻尼，能有效的减弱螺旋桨的辐射噪声，并且降低结构振动以及由于振动引起的结构失效，从而延长螺旋桨寿命。由材料特性决定，复合材料螺旋桨工作过程中叶片受水动力负载产生变形，结构与水动力互相耦合，结构参数和外形参数共同影响其推进性能，属于典型的水弹性问题。

复合材料螺旋桨的整体性能是由几何外形和结构铺层参数共同影响、共同控制的。在优化设计时，通过将复合材料螺旋桨的结构与水弹性作为一个整体进行一体化设计，可以在保证复合材料螺旋桨在较高推进效率的同时，获得较好的减振抑振性能，给予了复合材料螺旋桨综合性能更大的提升空间，因此本发明对复合材料螺旋桨的应用具有非常重要的意义。

结构与水弹性一体化螺旋桨减振设计方法是指合理地选择螺旋桨外形参数和结构参数，并进行整合，以满足多个工况条件下较高推进效率与较好振动特性的设计条件。该一体化设计方法主要包括优化模型建立和算法研究两方面。优化模型建立是指通过选择合适的螺旋桨几何模型与结构模型的建立方法，分析模型参数，一体化设计空间，定义布局优化的目标和约束，建立优化的数学模型；算法研究是选择合适的优化算法，并根据结构与水弹性耦合特点建立优化框架。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种结构与水弹性一体化螺旋桨设计方法，该方法是一种考虑螺旋桨结构和水弹性一体化的多目标代理模型优化设计方法。

技术方案

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：