[發明專利]一種基于多目標遺傳算法的復合材料螺旋槳鋪層優化方法

有效

• 申請號: 202010133569.0
• 申請日: 2020-03-02
• 公開（公告）號: CN111444642B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 張晶;吳欽;曲毅;黃彪;王國玉
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G06N3/12;G06F119/14;G06F111/10;G06F113/26
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

1.一種基于多目標遺傳算法的復合材料螺旋槳鋪層優化方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟一：基于仿真軟件建立復合材料螺旋槳模型，以金屬螺旋槳槳葉中面為對稱中心定義復合材料層合板各鋪層角度來完成纖維復合材料鋪層，并導入金屬螺旋槳葉壓力面及吸力面模型來約束復合材料鋪層外形，最終實現復合材料螺旋槳有限元模型的建立；

所述纖維復合材料鋪層方式包括單向或編織鋪層方式；

步驟二：將步驟一中建立的復合材料螺旋槳有限元模型導入有限元分析軟件以計算槳葉結構響應，并通過添加邊界條件，設置流固耦合交界面，進而對復合材料螺旋槳流場進行雷諾時均N-S方程(RANS)求解計算得到流固耦合作用下的螺旋槳流場水動力載荷；

步驟三：將復合材料螺旋槳流體動力分析模塊與結構有限元分析模塊相耦合，采用分步算法進行雙向流固耦合計算，得到水動力性能數據，所述水動力性能數據包括推進效率η；

步驟四：根據步驟三雙向流固耦合計算所得的復合材料螺旋槳的推進效率建立多目標適應度函數F(t)，通過多目標適應度函數F(t)建立鋪層角與推進效率之間的關系；以整數編碼方式對鋪層角度進行編碼以建立初始種群N，對種群中的各鋪層角組合進行適應度計算，依據適應度計算所得推進效率結果選擇再生個體，通過遺傳算法的優勝略汰完成對高效鋪層角組合的篩選組成群體S1；進而按照交叉變異對其種群中的單個個體的鋪層角角度進行隨機變化，得到新一代種群即新的鋪層角組合集群；經過若干代的進化迭代后，得到最優個體，也即最優的鋪層角度組合，即完成基于多目標遺傳算法的復合材料螺旋槳鋪層優化。

2.如權利要求1所述的一種基于多目標遺傳算法的復合材料螺旋槳鋪層優化方法，其特征在于：還包括步驟五，利用步驟五得到的復合材料螺旋槳鋪層角組合，使經過鋪層角優化的復合材料螺旋槳的推進效率和推力系數滿足所需工況要求，且使經過鋪層角優化的復合材料螺旋槳的推進效率在設計工況下與剛性槳等同，而在非設計工況下優于剛性槳，進而拓寬復合材料螺旋槳工作的高效區，提高復合材料螺旋槳推力效率，解決復合材料螺旋槳應用領域工程技術問題。

3.如權利要求2所述的一種基于多目標遺傳算法的復合材料螺旋槳鋪層優化方法，其特征在于：步驟五所述解決復合材料螺旋槳應用領域工程技術問題包括，使經過鋪層角優化的復合材料螺旋槳的推進效率和推力系數滿足所需工況要求，進而延長螺旋槳的使用壽命，提高其水動力性能與噪聲性能，節約能源，提高經濟效益。

4.如權利要求1、2或3所述的一種基于多目標遺傳算法的復合材料螺旋槳鋪層優化方法，其特征在于：步驟二具體實現方法為，將步驟一中建立完成的復合材料螺旋槳有限元模型導入有限元分析軟件以計算槳葉結構響應，添加螺旋槳轉速、固定約束邊界條件，并將復合材料螺旋槳槳葉設置為流固耦合交界面；復合材料螺旋槳結構控制方程為其中，[Ms]為結構質量矩陣，[Cs]為結構阻尼矩陣，[Ks]為結構剛度矩陣；{X}即結構位移、即結構速度、即結構加速度；F_CFD代表通過CFD軟件求解的流固耦合作用下結構所受流場力；在數值模擬中，先從流場計算得到流體作用在結構上的載荷，載荷再通過流固耦合作用面傳遞給結構場，結構在載荷的作用下發生變形，流場根據結構場的變化更新網格，再次進行流場計算又得到作用在結構上的載荷；結構場與流場的計算交替進行，直至計算精度達到要求；對復合材料螺旋槳流場進行雷諾時均N-S方程(RANS)求解，封閉雷諾時均N-S方程；通過超算得到復合材料螺旋槳流場水動力載荷。