[发明专利]直翼推进器桨叶执行机构的构件尺寸优化设计方法

权利要求书

1.一种直翼推进器桨叶执行机构的构件尺寸优化设计方法，其特征在于：具体步骤如下：

1)桨叶执行机构结构简化

将桨叶执行机构简化成由L_1～L₈杆和Φ₁～Φ₅角度构成的简图，其中，L₁+L₅为转盘简化杆长度，且L₁+L₅＝R，R为桨叶回转半径，L₃+L₈为同心杆长度，L₂、L₆、L₇分别为撑杆、曲柄、连杆长度，L₄为控制点偏心距，Φ₁～Φ₅分别为从横轴到L₁+L₅、L₃+L₈、L₂、L₆、L₇杆的角度，δ为曲柄与桨叶弦线之间的夹角；

2)建立杆组角位移方程

第一步：L₁、L₂、L₃、L₄杆组角位移方程

四杆L₁、L₂、L₃、L₄构成的封闭矢量方程为：

以复数形式表示为：

按欧拉公式展开得：

L₁(cosΦ₁+isinΦ₁)+L₂(cosΦ₂+isinΦ₂)＝L₄+L₃(cosΦ₃+isinΦ₃) (3)

根据方程实部、虚部相等，得：

解方程得：

其中：

A＝L₄-L₁cosΦ₁

B＝-L₁sinΦ₁

第二步：杆(L₁+L₅)、L₆、L₇、L₃+L₈、L₄

杆(L₁+L₅)、L₆、L₇、L₃+L₈、L₄构成的封闭矢量方程为：

以复数形式表示为：

按欧拉公式展开得：

根据方程实部、虚部相等，得：

解方程得：

其中：

E＝L₄+(L₃+L₈)cosΦ₃-(L₁+L₅)cosΦ₁

F＝(L₃+L₈)sinΦ₃-(L₁+L₅)sinΦ₁

3)建立杆组角速度方程

第一步：杆L₁、L₂、L₃、L₄角速度方程，已知转盘转速ω₁，

将式(2)对时间求导，得：

式(11)两边同乘并按欧拉公式展开后，取实部相等，得：

同理，式(11)两边同乘并按欧拉公式展开后，取实部相等，得：

第二步：杆L₁+L₅、L₆、L₇、L₃+L₈、L₄角速度方程

将式(6)对时间求导，得：

式(14)两边同乘并按欧拉公式展开后，取实部相等，得：

式(14)两边同乘并按欧拉公式展开后，取实部相等，得：

上述所得ω_2～ω₅分别为杆L₂～L₄的角速度

4)建立杆组角加速度方程

第一步：杆L₁、L₂、L₃、L₄角加速度方程

将式(11)对时间求导，得：

式(17)两边同乘并按欧拉公式展开后，取实部相等，得：

式(17)两边同乘得：

第二步：杆L₁+L₅、L₆、L₇、L₃+L₈、L₄角加速度方程

将式(14)对时间求导，得：

式(21)两边同乘并按欧拉公式展开后，取实部相等，得：

式(21)两边同乘并按欧拉公式展开后，取实部相等，得：

上述所得α_2～α₅分别为杆L₂～L₄的角加速度，其中α₄为桨叶及曲柄角加速度；

直翼推进器桨叶旋转一周时桨叶及曲柄的平均角加速度表示为：

由于桨叶及曲柄为桨叶执行机构中质量最大的构件，因此，为降低整个机构的惯性载荷，需要重点减低桨叶及曲柄的平均角加速；

5)桨叶水动力计算

第一步：桨叶攻角计算

桨叶弦线与曲柄夹角可表示为：

其中：

桨叶摆角，即桨叶弦线与桨叶回转半径切线的夹角表示为：

对于给定的船航速V和桨转速ω₁，桨叶所受来流速度U为：

来流速度U与旋转速度ω₁r夹角为：

桨叶攻角表示为：

第二步：桨叶推力计算

桨叶升力可表示为：

其中，C_La，w为已知叶型的桨叶升力系数斜率，ρ为海水密度，S为已知桨叶平面面积；

单桨叶推力为：

t＝L_Y＝Lsin(Φ₁+γ₀) (31)

直翼推进器桨叶旋转一周的平均主推力可表示为：

第三步：桨叶转矩计算

单片桨叶所产生的转矩为：

直翼推进器桨叶旋转一周的平均转矩可表示为：

第四步：推进效率计算

直翼推进器推进效率可表示为：

其中，n为推进器转速，可表示为n＝2πω₁；

6)杆组结构优化

第一步：选取设计变量

直翼推进器桨叶摆角取决于各杆件长度、偏心距， 因此，设计变量选取为：

X＝[L₁、L₂、L₃、L₄、L₆、L₇、L₈] (36)

第二步：构建目标函数

桨叶执行机构的优化目标为提高桨叶推力大小及推进效率为首要目标，同时考虑降低桨叶角加速度，以降低机构总体载荷， 因此，目标函数选取为：

其中，k₁、k₂、k₃为重要性加权因子，本优化设计中选取k₁＝0.4，k₂＝0.4，k₃＝0.2.

第三步：定义约束条件

根据构件几何关系，各杆长的约束条件包括：

a)L₁、L₂、L₃、L₄、L₆、L₇、L₈0；

b)

c)L₃L₈

d)

第四步：求解上述优化模型，即可获得直翼推进器桨叶执行机构各构件长度最优解。