[發(fā)明專利]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

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010137560.7
• 申請日: 2020-03-02
• 公開（公告）號: CN111444643B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳欽;曲毅;田茂宇;張晶;王國玉
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 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(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

1.一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料螺旋槳鋪層角優(yōu)化方法，其特征在于：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，最終實現(xiàn)復(fù)合材料螺旋槳有限元模型的建立；

所述纖維復(fù)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(fù)合材料螺旋槳有限元模型導(dǎo)入有限元分析軟件以計算槳葉結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并通過添加邊界條件，設(shè)置流固耦合交界面，進而對復(fù)合材料螺旋槳流場進行雷諾時均N-S方程(RANS)求解計算得到復(fù)合材料螺旋槳各鋪層角組合對應(yīng)的敞水性征曲線；

步驟三：采用正交試驗設(shè)計方法，將對稱鋪設(shè)的n個鋪層與p個鋪層角的最佳組合結(jié)果制成正交試驗設(shè)計表，并根據(jù)正交試驗設(shè)計的數(shù)據(jù)樣本，通過主要因素分析確定q組鋪層角組合的計算結(jié)果作為數(shù)據(jù)樣本；

步驟四：基于數(shù)值計算軟件構(gòu)建一個包含z層隱藏層的高度非線性擬合的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；取復(fù)合材料螺旋槳的n個鋪層角為網(wǎng)絡(luò)輸入，即網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在輸入層有n個節(jié)點；以2n+1個結(jié)點作為隱藏層節(jié)點數(shù)，并取推進效率η作為輸出層的單個節(jié)點完成鋪層角度到推進效率的高度非線性映射；

步驟五：根據(jù)步驟三中的數(shù)據(jù)樣本，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以鋪層角度為設(shè)計變量，以推進效率為目標函數(shù)，運用回歸分析來擬合目標函數(shù)，得到復(fù)合材料螺旋槳鋪層角與推進效率之間的映射規(guī)律的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算模型只需要對其進行訓(xùn)練即能夠得到各不同優(yōu)化情況的目標函數(shù)，提高復(fù)合材料螺旋槳鋪層角優(yōu)化效率；

步驟六：根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層的誤差平方和是否低于預(yù)設(shè)誤差閾值判斷誤差是否收斂，若不收斂，即沒達到目標精度，返回步驟五繼續(xù)訓(xùn)練；若收斂，則誤差精度已滿足要求，進行步驟七的驗證；

步驟七：將步驟五中剩下的鋪層角組合數(shù)據(jù)作為驗證集，輸入到訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，求得網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果即推進效率值，和檢驗樣本的輸出數(shù)據(jù)作比較，完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算精度的交叉驗證；

步驟八：根據(jù)步驟六訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對各鋪層角組合情況進行優(yōu)化預(yù)測，對所得效率數(shù)據(jù)分析得最大網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值及對應(yīng)的鋪層角組合，即基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)復(fù)合材料螺旋槳鋪層角優(yōu)化。

2.如權(quán)利要求1所述的一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料螺旋槳鋪層角優(yōu)化方法，其特征在于：還包括步驟九，利用步驟八得到的復(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效率在設(shè)計工況下與剛性槳等同，而在非設(shè)計工況下優(yōu)于剛性槳，進而拓寬復(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，解決復(fù)合材料螺旋槳應(yīng)用領(lǐng)域工程技術(shù)問題。

3.如權(quán)利要求2所述的一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料螺旋槳鋪層角優(yōu)化方法，其特征在于：步驟九所述解決復(fù)合材料螺旋槳應(yīng)用領(lǐng)域工程技術(shù)問題包括：得到各鋪層角組合下的復(fù)合材料螺旋槳的推進效率，而且能夠快速高效的得到最佳鋪層角組合，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(jié)約能源，提高經(jīng)濟效益。

4.如權(quán)利要求1、2或3所述的一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料螺旋槳鋪層角優(yōu)化方法，其特征在于：步驟二具體實現(xiàn)方法為，將步驟一中建立完成的復(fù)合材料螺旋槳有限元模型導(dǎo)入有限元分析軟件以計算槳葉結(jié)構(gòu)響應(yīng)，添加邊界條件螺旋槳轉(zhuǎn)速和固定約束，并將復(fù)合材料螺旋槳槳葉設(shè)置為流固耦合交界面；復(fù)合材料螺旋槳結(jié)構(gòu)控制方程為其中，[Ms]為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣，[Cs]為結(jié)構(gòu)阻尼矩陣，[Ks]為結(jié)構(gòu)剛度矩陣；{X}即結(jié)構(gòu)位移、即結(jié)構(gòu)速度、即結(jié)構(gòu)加速度；{F_CFD}代表通過CFD軟件求解的流固耦合作用下結(jié)構(gòu)所受流場力；在數(shù)值模擬中，先從流場計算得到流體作用在結(jié)構(gòu)上的載荷，載荷再通過流固耦合作用面?zhèn)鬟f給結(jié)構(gòu)場，結(jié)構(gòu)在載荷的作用下發(fā)生變形，流場根據(jù)結(jié)構(gòu)場的變化更新網(wǎng)格，再次進行流場計算又得到作用在結(jié)構(gòu)上的載荷；結(jié)構(gòu)場與流場的計算交替進行，直至計算精度達到要求；對復(fù)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(fù)合材料螺旋槳各鋪層角組合對應(yīng)的推進效率η。