[發(fā)明專利]采用KDGO算法的AUV復合材料螺旋槳鋪層優(yōu)化設計方法

有效

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• 申請日: 2020-10-22
• 公開（公告）號: CN112307658B
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發(fā)明（設計）人: 董華超;宋保維;王鵬;潘光;施瑤
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F113/26
• 代理公司: 西安凱多思知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 王鮮凱

本發(fā)明涉及一種采用KDGO算法的AUV復合材料螺旋槳鋪層優(yōu)化設計方法，針對鋪層角度和模態(tài)頻率，研究了不同鋪層角度序列對AUV復合材料螺旋槳結(jié)構(gòu)振動性能的影響，通過構(gòu)建鋪層角度序列與模態(tài)頻率之間的Kriging模型，實現(xiàn)了優(yōu)化過程中AUV復合材料螺旋槳結(jié)構(gòu)振動性能的快速預報，從而節(jié)省了優(yōu)化設計的時間；利用KDGO算法進行優(yōu)化設計，在保證強度的前提下，有效提高了AUV復合材料螺旋槳的模態(tài)頻率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于AUV復合材料螺旋槳的鋪層優(yōu)化設計方法研究，涉及一種采用KDGO算法的AUV復合材料螺旋槳鋪層優(yōu)化設計方法，以復合材料螺旋槳的鋪層角度序列為設計變量和以模態(tài)頻率為目標函數(shù)，尤其涉及采用KDGO算法對AUV復合材料螺旋槳鋪層優(yōu)化的方法。

背景技術(shù)

海洋資源的開發(fā)往往無法避開一個重要環(huán)節(jié)，即海洋內(nèi)部結(jié)構(gòu)資料的收集，而這通常涉及到海底探測甚至是海底施工。為了實現(xiàn)上述工作，深海探測和海洋定位技術(shù)近年來成為重要課題，海洋潛器也因此得到多元發(fā)展。其中應運而生的就包括水下自主航行器AUV(Autonomous Underwater Vehicle)。而AUV螺旋槳的研究對于AUV的各類水下作業(yè)有著重要作用。為了設計出綜合性能更高的AUV復合材料螺旋槳，本發(fā)明提出一種采用KDGO算法的AUV復合材料螺旋槳鋪層優(yōu)化設計方法。

由于涉及大量的設計變量，對于具有各種約束的復合材料螺旋槳的鋪層優(yōu)化設計，建立一套有效的優(yōu)化算法仍然是關(guān)鍵問題之一。復合材料螺旋槳的優(yōu)化設計包括兩個核心問題：以水彈性穩(wěn)態(tài)響應為目標的推進性能最大化和以結(jié)構(gòu)振動為目標的模態(tài)頻率最優(yōu)化。在傳統(tǒng)的螺旋槳設計思路中，通常將水動力性能作為第一設計目標，槳葉強度和動態(tài)性能作為約束。這是由于水動力性能受幾何外形的決定，在幾何外形和材料參數(shù)確定后，螺旋槳的結(jié)構(gòu)靜力和動力學特性也就確定，不具有足夠的可設計性。相比于前者，復合材料螺旋槳結(jié)構(gòu)設計參數(shù)更多、可設計性更強。在材料參數(shù)確定的前提下，復合材料的宏觀力學特性就取決于鋪層角度，材料的靜力學和動力學參數(shù)又影響著復合材料螺旋槳的推進性能、振動及噪聲性能。因此，研究鋪層角度對復合材料螺旋槳性能的影響規(guī)律，探討復合材料鋪層優(yōu)化設計的可能性，提出一種較為理想的鋪層優(yōu)化設計方法，對復合材料螺旋槳的優(yōu)化設計具有重要意義。

基于代理模型的優(yōu)化方法在工程領(lǐng)域已得到廣泛的應用，代理模型方法就是通過在設計空間選取一定數(shù)量的樣本，通過這些樣本點的信息來擬合優(yōu)化目標或約束在設計空間的分布。常用的代理模型方法有基于多項式函數(shù)的響應面法、Kriging模型、移動最小二乘以及徑向基函數(shù)、支撐向量回歸模型等，Kriging模型相比其它代理模型來說更易捕獲真實物理問題中簡單多項式無法代表的某些非線性特征，并且Kriging模型還可以得到模型在預測點的預測均方誤差(Mean Square Error，MSE)，因此該方法目前得到了廣泛的應用。

KDGO(Kriging-assisted Discrete Global Optimization)算法是針對計算昂貴的黑箱問題所提出的一種Kriging輔助的離散全局優(yōu)化方法。該方法利用Kriging來近似代替原計算昂貴模型，并引入一種基于多起點知識挖掘方法的樣本填充策略來捕獲有希望的離散樣本點，之后采用KNN(k-nearest neighbors)搜索策略和期望改進(Expectedimprovement，EI)準則來選擇候選離散樣本。該方法可很好地兼顧全局搜索能力和局部搜索能力，具有較高的計算效率和全局搜索的魯棒性。

發(fā)明內(nèi)容

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種采用KDGO算法的AUV復合材料螺旋槳鋪層優(yōu)化設計方法，通過優(yōu)化AUV復合材料螺旋槳鋪層角度序列，來獲取模態(tài)頻率最大值，以實現(xiàn)AUV復合材料螺旋槳的結(jié)構(gòu)振動性能的優(yōu)化。

技術(shù)方案

一種采用KDGO算法的AUV復合材料螺旋槳鋪層優(yōu)化設計方法，其特征在于步驟如下：