[發(fā)明專利]一種基于多目標(biāo)遺傳算法的復(fù)合材料螺旋槳鋪層優(yōu)化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010133569.0
• 申請(qǐng)日: 2020-03-02
• 公開（公告）號(hào): CN111444642B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張晶;吳欽;曲毅;黃彪;王國玉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F30/17;G06N3/12;G06F119/14;G06F111/10;G06F113/26
• 代理公司: 北京正陽理工知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發(fā)明公開的一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料螺旋槳鋪層角優(yōu)化方法，屬于葉輪機(jī)械仿真技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過建立復(fù)合材料螺旋槳有限元模型，將其與復(fù)合材料螺旋槳計(jì)算流體力學(xué)模型進(jìn)行雙向流固耦合計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)敞水特性曲線；采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)鋪層角組合及其對(duì)應(yīng)的水動(dòng)力性能數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；根據(jù)所得的復(fù)合材料螺旋槳的推進(jìn)效率建立多目標(biāo)適應(yīng)度函數(shù)，并建立鋪層角與推進(jìn)效率之間的關(guān)系；以整數(shù)編碼方式對(duì)鋪層角度進(jìn)行編碼以建立初始種群，基于多目標(biāo)遺傳算法實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料螺旋槳鋪層優(yōu)化，經(jīng)過鋪層角優(yōu)化的復(fù)合材料螺旋槳的推進(jìn)效率和推力系數(shù)滿足所需工況要求，延長螺旋槳的使用壽命，提高其水動(dòng)力性能與噪聲性能，節(jié)約能源，提高經(jīng)濟(jì)效益。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料螺旋槳鋪層角優(yōu)化方法，尤其涉及一種可實(shí)現(xiàn)船舶艦艇復(fù)合材料螺旋槳推進(jìn)效率最大化的鋪層角優(yōu)化方法，屬于葉輪機(jī)械仿真技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的螺旋槳都是由金屬或合金材料制成的。存在阻尼性能差，易產(chǎn)生振動(dòng)及噪聲、易空蝕、易疲勞破壞等問題，這直接影響到螺旋槳服役壽命和軍用艦船的生存能力。而復(fù)合材料具有高阻尼、輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且可通過改變纖維鋪層角度及方式來控制結(jié)構(gòu)變形，因此應(yīng)用復(fù)合材料制造螺旋槳為改善其水動(dòng)力性能及結(jié)構(gòu)特性提供了新的契機(jī)。但另一方面，目前的船用纖維復(fù)合材料螺旋槳大都采用金屬螺旋槳的型值，沒有考慮螺旋槳葉片流固耦合效應(yīng)以及纖維角度對(duì)水動(dòng)力性能的影響，不能完全滿足全工況船舶推進(jìn)需求。為了提高螺旋槳推進(jìn)效率，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合材料螺旋槳雙向流固耦合數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了大量研究并提出各種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。但現(xiàn)有的優(yōu)化方法計(jì)算量太大，過于依賴有限元軟件而不具通用性。遺傳算法是一種仿照現(xiàn)代遺傳學(xué)、達(dá)爾文的進(jìn)化論和生物模擬技術(shù)來優(yōu)化問題的方法。針對(duì)復(fù)合材料螺旋槳的優(yōu)化問題，優(yōu)化對(duì)象鋪層角度的組合就是染色體，組合里面的各個(gè)角度就是基因，在遺傳變異的過程中，可以實(shí)施基因突變，基因重組，遷移或雜交等。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明公開的一種基于多目標(biāo)遺傳算法的復(fù)合材料螺旋槳鋪層優(yōu)化方法要解決的技術(shù)問題是：基于多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行復(fù)合材料螺旋槳鋪層優(yōu)化，能夠高效率得到復(fù)合材料螺旋槳鋪層角組合，使經(jīng)過鋪層角優(yōu)化的復(fù)合材料螺旋槳的推進(jìn)效率和推力系數(shù)滿足所需工況要求，且使經(jīng)過鋪層角優(yōu)化的復(fù)合材料螺旋槳的推進(jìn)效率在設(shè)計(jì)工況下與剛性槳等同，而在非設(shè)計(jì)工況下優(yōu)于剛性槳，進(jìn)而拓寬復(fù)合材料螺旋槳工作的高效區(qū)，提高復(fù)合材料螺旋槳推力效率等性能，解決復(fù)合材料螺旋槳應(yīng)用領(lǐng)域工程技術(shù)問題。本發(fā)明具有優(yōu)化效率高優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明公開的一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料螺旋槳鋪層角優(yōu)化方法，通過建立復(fù)合材料螺旋槳有限元模型，并將其與復(fù)合材料螺旋槳計(jì)算流體力學(xué)模型進(jìn)行雙向流固耦合計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)的敞水特性曲線。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)鋪層角組合及其對(duì)應(yīng)的水動(dòng)力性能數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。根據(jù)雙向流固耦合計(jì)算所得的復(fù)合材料螺旋槳的推進(jìn)效率建立多目標(biāo)適應(yīng)度函數(shù)F(t)，通過多目標(biāo)適應(yīng)度函數(shù)F(t)建立鋪層角與推進(jìn)效率之間的關(guān)系。以整數(shù)編碼方式對(duì)鋪層角度進(jìn)行編碼以建立初始種群N，對(duì)種群中的各鋪層角組合進(jìn)行適應(yīng)度計(jì)算，依據(jù)適應(yīng)度計(jì)算所得推進(jìn)效率結(jié)果選擇再生個(gè)體，通過遺傳算法的優(yōu)勝略汰完成對(duì)高效鋪層角組合的篩選組成群體S1。進(jìn)而按照交叉變異對(duì)其種群中的單個(gè)個(gè)體的鋪層角角度進(jìn)行隨機(jī)變化，得到新一代種群即新的鋪層角組合集群。經(jīng)過若干代的進(jìn)化迭代后，得到最優(yōu)個(gè)體，也即最優(yōu)的鋪層角度組合，即完成基于多目標(biāo)遺傳算法的復(fù)合材料螺旋槳鋪層優(yōu)化。經(jīng)過鋪層角優(yōu)化的復(fù)合材料螺旋槳的推進(jìn)效率和推力系數(shù)滿足所需工況要求，進(jìn)而延長螺旋槳的使用壽命，提高其水動(dòng)力性能與噪聲性能，節(jié)約能源，提高經(jīng)濟(jì)效益。

本發(fā)明公開的一種基于多目標(biāo)遺傳算法的復(fù)合材料螺旋槳鋪層優(yōu)化方法，包括如下步驟：

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