[發明專利]一種基于神經網絡的復合材料螺旋槳鋪層角優化方法

有效

• 申請號: 202010137560.7
• 申請日: 2020-03-02
• 公開（公告）號: CN111444643B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 吳欽;曲毅;田茂宇;張晶;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

本發明涉及一種基于神經網絡的復合材料螺旋槳鋪層角優化方法，屬于葉輪機械仿真技術領域。本發明通過建立復合材料螺旋槳有限元模型，將其與復合材料螺旋槳計算流體力學模型進行雙向流固耦合計算，得到對應的敞水性征曲線；采用正交試驗設計方法對鋪層角組合及其對應的水動力性能數據進行預處理，基于數值計算軟件構建一個高度非線性擬合的BP神經網絡，進而采用梯度下降算法對已構建的神經網絡進行訓練，最終得到擁有復合材料螺旋槳鋪層角與推進效率之間的映射規律的BP神經網絡；根據訓練好的BP神經網絡，對各鋪層角組合情況進行優化預測，對所得效率數據分析得最大網絡預測值及對應的鋪層角組合，即基于神經網絡實現復合材料螺旋槳鋪層角優化。

技術領域

本發明涉及一種基于神經網絡的復合材料螺旋槳鋪層角優化方法，尤其涉及一種可實現船舶艦艇復合材料螺旋槳推進效率最大化的鋪層角優化方法，屬于葉輪機械仿真技術領域。

背景技術

傳統的金屬材料螺旋槳制造加工成本高、阻尼性能差、易產生噪聲、槳葉易發生腐蝕，直接影響到螺旋槳的使用壽命和軍用艦艇的生存及攻擊能力。復合材料具有高比強度、高比模量、耐腐蝕、耐疲勞、阻尼減振性好、破損安全性好和性能可設計等，已在航空航天及土木工程等領域得到了廣泛應用。隨著我國海軍裝備建設和船舶航運業的發展，對螺旋槳的推進性能和結構性能提出了更高的要求，船舶制造業迫切需要采用更科學的工程手段，設計并制造出適合當今軍民領域船舶航行需求的高效螺旋槳，故應用復合材料制造螺旋槳為改善其水動力性能及振動特性提供了新的契機。研究表明，通過對纖維鋪層的設計和槳葉結構的改進，復合材料螺旋槳可根據承受的水動力載荷自適應地改變自身幾何形狀，進而調整側斜、縱傾和螺距的分布以改善螺旋槳的水動力性能。

目前船用纖維復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的影響。復合材料螺旋槳葉片工作時因產生變形而導致推進效率降低，不能滿足全工況船舶推進需求。復合材料具有可通過改變纖維鋪層方向來控制結構變形的特點。復合材料中纖維增強材料特有的彎扭耦合效應，可依據螺旋槳載荷條件和槳葉結構形狀，通過合理安排槳葉纖維方向和材料鋪層順序來提高螺旋槳推進效率。因此，為了提高螺旋槳推進效率，國內外學者對復合材料螺旋槳雙向流固耦合數值計算進行了大量研究并提出復合材料螺旋槳鋪層角優化方法。其方法主要是對復合材料螺旋槳不同鋪層角進行組合得到新的復合材料螺旋槳槳葉幾何。但現有的鋪層角優化方法計算量太大，過于依賴有限元軟件而不具通用性，沒有細致考慮槳葉經流固耦合作用后側斜、縱傾和螺距的變化。因此，建立一種通用性較強、精度較高且計算簡便迅速的復合材料螺旋槳鋪層角優化方法具有重要意義。

發明內容

本發明公開的一種基于神經網絡的復合材料螺旋槳鋪層角優化方法要解決的技術問題是：基于神經網絡實現復合材料螺旋槳鋪層角優化，能夠高效率得到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等性能，解決復合材料螺旋槳應用領域工程技術問題。本發明具有優化效率高優點。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的：

本發明涉及一種基于神經網絡的復合材料螺旋槳鋪層角優化方法實現方法為：通過建立復合材料螺旋槳有限元模型，并將其與復合材料螺旋槳計算流體力學模型進行雙向流固耦合計算，得到對應的敞水性征曲線。采用正交試驗設計方法對鋪層角組合及其對應的水動力性能數據進行預處理，基于數值計算軟件構建一個高度非線性擬合的BP神經網絡，進而采用梯度下降算法對已構建的神經網絡進行訓練，最終得到擁有復合材料螺旋槳鋪層角與推進效率之間的映射規律的BP神經網絡。根據訓練好的BP神經網絡，對各鋪層角組合情況進行優化預測，對所得效率數據分析得最大網絡預測值及對應的鋪層角組合，即基于神經網絡實現復合材料螺旋槳鋪層角優化。本發明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等性能。

本發明公開的一種基于神經網絡的復合材料螺旋槳鋪層角優化方法，包括如下步驟：