船舶螺旋桨的优化模型建立与求解
两种不同优化算法在螺旋桨设计中的应用和比较的开题报告
两种不同优化算法在螺旋桨设计中的应用和比较的开题报告一、引言螺旋桨是机械设计中非常重要的一部分，主要用于载体推进，例如飞机、船只等。
为了提升其效率和性能，螺旋桨的设计非常关键。
优化算法是一种有效的工具，可以对螺旋桨的设计进行优化。
本文将介绍两种不同的优化算法在螺旋桨设计中的应用和比较。
二、背景与研究目的螺旋桨是一种能够将机械能转换为动力的机械部件。
其性能的好坏直接影响着载体的性能和效率。
传统的螺旋桨设计方法主要依赖于经验和试错，这种方式往往比较耗时，且精度不高。
优化算法则可以有效地提升螺旋桨的性能，同时也可以节约设计时间和成本。
本文旨在比较两种不同的优化算法在螺旋桨设计中的应用效果和优缺点。
三、优化算法综述1. 遗传算法遗传算法（Genetic Algorithm）源于生物学中的基因遗传与进化理论，是一种模拟自然进化过程的优化算法。
遗传算法将问题看作染色体的形式，通过自然选择、交叉和变异等过程来进化出最佳的解决方案。
该算法的优点是可以在多个解空间中搜索最优解，并适用于有多个局部最优解的问题。
但其缺点是容易陷入局部最优解，因此需要设计合适的优化策略。
2. 粒子群优化算法粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization）是一种模拟鸟群、鱼群等群体智能行为的优化算法。
该算法将问题看作粒子的位置和速度，通过不断更新粒子的位置和速度来搜索全局最优解。
该算法的优点是收敛速度快、易于实现，且不需要问题具有可导性。
但缺点是易于陷入局部最优解，并且算法参数的选择对结果会有影响。
四、应用与比较结果以螺旋桨的优化设计为例，使用遗传算法和粒子群优化算法进行比较。
我们设定一组初始设计参数，包括螺旋桨的旋转角度和叶片数等。
然后分别使用两种算法进行多次优化，最后比较其结果的优劣。
结果表明，两种算法在螺旋桨的设计中都具有很好的优化效果。
粒子群优化算法的搜索速度更快，在较短时间内就可以搜索到最优解。
而遗传算法的效果更稳定，随着迭代次数的增加，其结果更趋近于全局最优方案。
基于遗传算法的船、机、桨匹配优化设计
第四章基于遗传算法的船、机、桨匹配优化设计4.1 引言长期以来，以推进装置的最高效率为目标，借用传统的优化算法——如复合形法、罚函数等方法，已形成了比较有效的优化设计方法。
但由于设计变量较多，导致上述方法的运算量普遍较大，初值对优化结果的影响明显，且易陷于局部最优[8]。
因此，寻找更为有效的优化算法一直为人们所关注。
遗传算法能够很好地适应大规模优化问题[9~10]。
文中将GA引入机桨匹配优化设计，较好地改善了计算规模和优化效果，而且对求解问题的适应能力更强。
图4—1 船、机、桨配合特性曲线4.2 优化设计的数学模型船、机、桨的配合特性如图4—1所示。
图中AB，CD分别为柴油机允许长期工作的最大负荷和最小负荷限制线，AD，BC分别为柴油机允许长期工作的最高转速和最低转速限制线，EF为某工况下螺旋桨的推进曲线。
船、机、桨匹配的优化设计，就是通过选取适当的主机和螺旋桨，使船舶推进系统的效率、寿命、可靠性等指标达到最优[11]。
4.2.1 设计变量通常，螺旋桨转速p n ，螺旋桨叶数z ，螺旋桨有效功率e P ，船速v 和桨轴浸深h 在设计前均已给定，推力减额系数t 和伴流分数W 也可根据经验选定。
此时影响其性能的主要参数为主机转速n ，螺旋桨直径D ，螺距比P/D 和盘面比/e o A A ，这4个参数构成设计变量X 。
4.2.2 目标函数推进装置的总效率t η由敞水螺旋桨效率o η，相对旋转效率r η，船身效率h η和轴系效率s η共同决定 t o r h ηηηηη=(4—1)式(4—1)中，敞水螺旋桨效率[12]2t o q kJk ηπ=(4—2)式中：J 为进速系数；,t q k k 分别为螺旋桨的推力系数和转矩系数。
对于B 系列螺旋桨，,t q k k 可采用下列回归公式1,,,,,,()(/)(/)()s t u vt s t u v e o s t u vk C J P D A A Z =∑(4—3)2,,,,,,()(/)(/)()s t u vq s t u v e o s t u vk C J P D A A Z =∑(4—4)式(4—1)中，船身效率 11h t Wη-=- (4—5)相对旋转效率和轴系效率按实际工况选定。
船舶螺旋桨螺距及拱度的优化设计研究
0.0001
B桨
0.0604
0.0028
0.0000
螺距比（P/D）、拱度弦长比（F/C）的优化结果与原桨之比较分别如图5、图6所示。作 者发现，当优化变量作为离散变量各自独立变化时，最终得到的螺距与拱度分布难以保持光 顺。其主要原因可能是，负荷弦向分布无法精确满足给定值时，误差越大，近似值的变化范
设计工况（J=0.684）下，原桨敞水性能的数值预报结果与模型试验数据之比较如表2 所列。以试验值为基准，SPROP 预报值的相对误差为：推力- 1.5%、扭矩- 5.0%、效率+3.7%； FLUENT 预报值的相对误差为：推力+1.0%、扭矩+0.4%、+0.6%。SPROP 预报的扭矩与试验差 别较大，可能是因为其尾涡模型对叶梢卸载桨的适用性差以及粘性阻力估算误差较大；而 FLUENT 预报值与试验值非常吻合。假定上述误差趋势对优化设计方案也同样存在，在优化 设计中，设定推力目标值时需预先考虑 SPROP 的预报误差；另外，将基于 CFD 计算结果进行 优化方案的性能分析。
Benini 开发了基于遗传算法的系列螺旋桨多目标优化方法，采用试验数据的回归公式 计算敞水性能。以敞水效率和推力最大化为目标、Keller 空泡限界公式为限制条件，对 B
1
系列桨优化计算获得了推力系数、敞水效率、盘面比等设计变量的最佳组合图谱，并提出了 已知设计航速时，确定最佳直径和/或最佳转速的设计步骤。Chen 等也以 B 系列桨为对象， 以敞水效率和激振力为综合优化目标，开发了基于遗传算法的设计方法。系列桨性能采用回 归公式计算，激振力计算采用升力面方法。该方法以空泡、强度为限制条件，并在性能计算 中引入了尺度效应的修正。算例表明，该方法不仅能够优化效率，而且能够保持该优化效率 基本不变、进一步降低螺旋桨轴承力。
船用螺旋桨水动力性能优化设计
初 始桨 数 据输 入
Ｉ
Ｉ ！ 重 堡 叠 茎 ｌ
方法需要 大量 的实 际经 验． 近些 年来 ， 通 过智 能 优
化算法 对 螺 旋 桨 综 合 性 能 进 行 优 化 研 究 越 来 越
多 ］ ．
上
圆
本 文利用 螺 旋 桨多 参 数 协 同优 化 系 统 ［ ７ ］ ， 以 螺旋 桨效 率及 空 泡 性 能为 优 化 目标 ， 对 某 吊 舱螺
第 ３ ９卷 第 ４ 期
２ ０ １ ５年 ８月
武 汉理 工大 学学 报 （ 交通科 学 与工 程版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
（ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ＆ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ）
百
图 １ 螺 旋 桨 综 合 性 能 优 化 设 计 系统 流程 图
收稿 日期 ： ２ ０ １ ５ － ０ ４ — １ ０ 王 波（ １ ９ ９ ０ 一） ： 男， 硕 士生 ， 主 要 研 究 领 域 为 舰 船 流 体 动 力 性 能
海 洋 工 程 国家 重 点 实 验 室 研 究 基 金 项 目资助 （ 批准号 ： １ １ ０ ６ ）
Ｖｏ １ ． ３９ Ｎ ｏ． ４
船用螺旋桨设计与优化技术研究
船用螺旋桨设计与优化技术研究船用螺旋桨的设计与优化技术是船舶工程领域中的重要研究内容。
船用螺旋桨是推动船舶前进的关键设备，其设计的好坏直接影响到船舶的航行性能和能源消耗。
本文将从螺旋桨设计的基本原理、设计过程以及优化技术等方面进行详细阐述。
一、螺旋桨设计的基本原理船用螺旋桨的基本原理是通过螺旋桨叶片的转动产生的水流与船体相互作用，产生推力将船体推动前进。
根据流体动力学原理，螺旋桨的叶片设计应满足最大化推力、最小化振动和噪声以及最高效能的要求。
螺旋桨一般由叶片、母体以及杆连接组成。
叶片的设计关键包括叶型的选择、叶片的几何参数（如子翼比、展弦比等）、叶片面积分布等。
母体的设计关键包括母体的形状和强度。
杆的设计关键是杆的直径和材料的选择。
二、螺旋桨设计的基本过程螺旋桨的设计过程包括初步设计、中间设计和最终设计三个阶段。
1. 初步设计阶段：根据船舶的工况要求和基本参数，确定螺旋桨的直径、叶片数、种类以及安装位置。
同时，进行一些基本的叶片几何参数的估算，如叶片的展弦比、子翼比、弯曲强度等。
2. 中间设计阶段：根据初步设计结果，通过一系列的流场计算和性能试验来进一步优化螺旋桨的叶片几何参数。
此阶段的重点是确定叶片的几何参数，如叶片的弯曲角、扭曲角以及叶片的厚度分布等。
3. 最终设计阶段：根据中间设计结果，进行最终的螺旋桨设计，包括叶片的细化设计、母体的优化和杆的设计等。
在此阶段，通常需要进行大量的流场计算和模型试验来验证和优化设计结果。
三、螺旋桨设计的优化技术螺旋桨的设计优化是为了在满足船舶工况要求的前提下，进一步提高推力效率和减小振动和噪声。
常用的螺旋桨设计优化技术包括参数化模型优化、流场计算优化、进化算法优化等。
1. 参数化模型优化：通过建立螺旋桨的参数化模型，将螺旋桨的几何参数与推力效率进行关联，然后利用数值方法进行优化计算，寻找使得推力效率最大化的最优参数组合。
2. 流场计算优化：运用计算流体力学（CFD）方法对螺旋桨的水流场进行数值模拟，以评估螺旋桨的性能。
基于BP人工神经网络和遗传算法的船舶螺旋桨优化设计
基于BP人工神经网络和遗传算法的船舶螺旋桨优化设计曾志波;丁恩宝;唐登海【摘要】在原有图谱设计方法的基础上,采用BP(Back-Propagation)人工神经网络模型和遗传算法GA(GeneticAlgorithm),建立了一种船舶螺旋桨优化设计方法.BP人工神经网络模型通过训练可以具备强大的非线性映射能力,以数学解析的形式,较好地提取了海量螺旋桨水动力性能数据特征;GA不依赖于问题的具体领域,对问题的种类有很强的鲁棒性,为计算机辅助船舶螺旋桨优化设计提供了一种通用的多参数优化框架.针对三体消波艇半浸式螺旋桨和沿海巡逻艇螺旋桨的设计实例表明,该方法能快速可靠地搜索到最优解,不仅具有足够的工程精度,而且实用方便,适用性强.【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2010(014)001【总页数】8页(P20-27)【关键词】半浸式螺旋桨;BP人工神经网络;遗传算法;优化设计【作者】曾志波;丁恩宝;唐登海【作者单位】中国船舶科学研究中心,江苏,无锡,214082;中国船舶科学研究中心,江苏,无锡,214082;中国船舶科学研究中心,江苏,无锡,214082【正文语种】中文【中图分类】U661.311 引言船舶螺旋桨设计是整个船舶设计中的一个重要组成部分。
随着船舶航速的提高和吨位的增加，螺旋桨的工况越来越复杂，设计要求须综合考虑螺旋桨的效率、空泡和激振性能以及低噪声性能等。
在这种背景下，螺旋桨图谱设计并没有失去它原有的快捷实用的优点，特别是空泡螺旋桨、超空泡螺旋桨和半浸式螺旋桨（以下简称半浸桨）等，目前还没有成熟的物理模型模拟其运动状态，因此仍然需要由模型试验方法开发图谱来设计。
计算机辅助螺旋桨图谱设计面临着两大难题：一是海量螺旋桨性能数据的数学表达；二是优化算法的选取。
软计算是正在发展起来的一种计算方法，它与人脑相对应，具有在不确定及不精确环境中进行推理和学习的卓越能力[1]。
软计算由若干计算方法组成，包括神经元网络、模糊集合理论和一些非导数优化方法，如遗传算法（GA），它能够很好地解决以上两个问题。
螺旋桨水动力学性能分析与优化设计
螺旋桨水动力学性能分析与优化设计螺旋桨是水上船只中最重要的推进装置，其性能直接关系到船舶的推进效率和航行速度。
螺旋桨水动力学性能分析与优化设计是船舶研究领域中的重要分支，对于减少能源消耗、提高运输效率、降低污染排放具有重要作用。
一、螺旋桨水动力学性能分析的基础理论1.1 计算流体力学计算流体力学（CFD）是一种通过数字计算方法来解决流体力学问题的数学模型。
在螺旋桨被设计和研究时，CFD成为了一种重要的工具。
其模型基于Navier-Stokes方程和欧拉方程，模拟了流场和流动的变化，从而分析了流体运动的影响和经济性能的评估。
1.2 螺旋桨理论螺旋桨的理论基础是流体力学中的速度势流和双曲型等势流。
速度势流指的是在流体中的一个点上速度向量可以分解为势函数的梯度，而双曲型等势流涉及到一个坐标系中，速度的散度和旋度是相等的。
1.3 失速失速指的是在较小的流速下，螺旋桨进入了抵抗气蚀和附面效应的状态。
能够有效地分析并求出失速将对设计螺旋桨的截面和轴设置具有重要意义。
二、螺旋桨水动力学性能分析的关键参数2.1 推力和速度推力和速度是螺旋桨水动力学性能分析中的两个关键参数。
推力是螺旋桨提供给船体的推进力，影响到船舶的加速度和航行速度。
速度可以用来计算泥和水的扰动实体质量。
2.2 轮廓设计螺旋桨轮廓设计对其性能影响非常大，包括叶片的数量、截面形状和翼型等。
良好的轮廓设计能够提高螺旋桨的效率，减小水动力噪音，提高抵抗力和附面效应。
2.3 旋转速度旋转速度是螺旋桨的打动驱动力，影响了传动效率和螺旋桨效率。
高速旋转通常会导致较大的失速和流量噪音，而低速旋转也可能会导致螺旋桨产生过多垂直力。
2.4 推力系数推力系数是推力与密度、直径、旋转速度和旋转等效面积的关系。
推力系数是成尺寸和旋转速度的一种无因次数，用于描述螺旋桨的推进效率。
三、螺旋桨水动力学性能优化的方法3.1 优化设计算法优化设计算法是一种通过数学模型和计算机程序来找到最优解的方法。
七叶侧斜螺旋桨水动力性能优化
七叶侧斜螺旋桨水动力性能优化
首先，我们需要了解七叶侧斜螺旋桨的结构和工作原理。
七叶侧斜螺旋桨是由七片叶片构成的，每个叶片的倾角和螺旋角都是固定的。
在推进过程中，螺旋桨叶片产生推进力，将水推动向后，从而推动船舶前进。
优化螺旋桨的水动力性能主要是通过调整叶片的几何参数来实现的。
其次，我们可以采用计算流体力学（CFD）方法对七叶侧斜螺旋桨进行水动力性能的模拟分析。
通过在计算流体力学软件中建立七叶侧斜螺旋桨的三维模型，并设定流场条件和运动边界条件，可以获取螺旋桨叶片的受力情况和水动力性能。
通过对模拟结果的分析，可以找出影响螺旋桨性能的关键因素，并进行优化设计。
最后，我们可以通过对七叶侧斜螺旋桨的几何参数进行优化设计，以提高其水动力性能。
在进行优化设计时，可以通过改变叶片的倾角、螺旋角、叶片面积分布等参数来优化螺旋桨的性能。
通过对不同参数组合的模拟分析，可以找到最优的设计方案，从而提高螺旋桨的推进效率。
综上所述，对七叶侧斜螺旋桨的水动力性能进行优化可以提高船舶的速度、操纵性和燃油效率，为船舶的运行提供更好的性能保障。
通过采用计算流体力学方法进行模拟分析和优化设计，可以有效地改善螺旋桨的性能，为船舶设计和运行提供技术支持。
希望本文可以为相关领域的研究者提供参考和启发，推动螺旋桨水动力性能优化的深入研究。
螺旋桨数值模拟方法
螺旋桨数值模拟方法
螺旋桨数值模拟方法是一种基于计算流体力学理论的数值模拟
方法，用于模拟螺旋桨在流体中的运动和受力情况。
该方法可以帮助研究者了解螺旋桨在不同工况下的性能表现，优化螺旋桨设计，提高螺旋桨的效率和可靠性。
具体来说，螺旋桨数值模拟方法主要包括以下步骤：
1. 建立螺旋桨数学模型：根据螺旋桨的几何形状和物理特性，建立相应的数学模型，包括几何模型、流场模型和运动学模型等。
2. 离散化：将螺旋桨数学模型划分成有限个小元素，形成离散的数学模型。
3. 网格生成：将离散化后的数学模型转化成网格模型，用于计算流场的物理量。
4. 数值求解：使用计算流体力学方法对螺旋桨在流体中的运动和受力情况进行数值模拟求解，得到流场、压力场和速度场等物理量。
5. 结果分析：对模拟结果进行后处理和分析，评估螺旋桨的性能和优化设计。
螺旋桨数值模拟方法的优点在于可以有效地预测螺旋桨在不同
流体中的性能表现，避免了传统试验方法的高成本和时间消耗。
同时，该方法可以帮助优化螺旋桨的设计，提高其效率和可靠性，具有广泛的应用前景。
- 1 -。
船舶动力学计算模型的建立与优化
船舶动力学计算模型的建立与优化随着物流和贸易的不断发展，船舶的使用频率也越来越高。
而船舶动力学是指在船舶运行过程中所产生的各种力学现象，包括船舶在水中的航行性能、船体的稳性、动力系统的性能等等。
因此，对于船舶工业来说，船舶动力学研究具有极其重要的意义。
而船舶动力学模型是实现船舶动力学研究的基石，对于提高船舶的效率和性能有着至关重要的作用。
本文将就船舶动力学模型的建立与优化进行探讨。
一、船舶动力学模型的建立意义船舶动力学模型是指用数学方法对船舶在水中的各种力学现象进行分析和计算的模型。
对于船舶动力学模型的建立意义，主要有以下几点：1、提高船舶运行效率：通过建立船舶动力学模型，可以分析船舶在不同航行状态下的航行性能和阻力，通过对模型进行优化，从而提高船舶运行的效率。
2、改善船体稳定性：对于大型船只而言，船体的稳定性显得尤为重要。
通过对船舶动力学模型的分析，可以确定船体的稳定性极限，从而在船舶设计时就能够针对船体的稳定性进行优化。
3、优化船舶动力系统：船舶动力系统是指推动船体的各种设备，包括发动机、传动系统、推进器等等。
通过建立船舶动力学模型，可以对动力系统进行分析和优化，提高船舶的动力性能。
二、船舶动力学模型的建立过程船舶动力学模型的建立过程可以分为以下几个步骤：1、确定模型的基本参数：包括船舶的长度、宽度、吃水、排水量等等。
通过对这些基本参数的确定，可以形成初步的船舶动力学模型。
2、确定船舶的运行状态：包括船速、航向等等。
这一步是确定船舶动力学模型运行条件的重要步骤，对于进行分析和计算至关重要。
3、分析船舶在水中的运动状态：包括船舶的浮力、阻力、动力等等。
通过对这些力学现象的分析，可以进一步优化船舶动力学模型。
4、确定船舶动力系统：包括发动机、传动系统和推进器等等。
通过对船舶动力系统的分析，可以确定船舶的整体动力性能和优化方案。
5、建立计算模型：通过对以上步骤的分析，可以建立起完整的船舶动力学计算模型，并进行各种参数变化的模拟和分析。
螺旋桨设计与绘制讲解
第1章螺旋桨设计与绘制1.1螺旋桨设计螺旋桨设计是船舶快速性设计的重要组成分。
在船舶型线初步设计完成后，通过有效马力的估算获船模阻力试验，得出该船的有效马力曲线。
在此基础上，要求我们设计一个效率最佳的螺旋桨，既能达到预定的航速，又能使消耗的主机马力最小；或者当主机已经选定，要求设计一个在给定主机条件下使船舶能达到最高航速的螺旋桨。
螺旋桨的设计问题可分为两类，即初步设计和终结设计。
螺旋桨的初步设计：对于新设计的船舶，根据设计任务书对船速要求设计出最合适的螺旋桨，然后由螺旋桨的转速计效率决定主机的转速及马力。
终结设计：主机马力和转速决定后，求所能达到的航速及螺旋桨的尺度。
在本文中，根据设计航速17.5kn，设计螺旋桨直径6.6m，进行初步设计，获得所需主机的马力和主机转速，然后选定主机；根据选定的主机，计算最佳的螺旋桨要素及所能达到的最大航速等。
1.1.1螺旋桨参数的选定（1）螺旋桨的数目选择螺旋桨的数目必须综合考虑推进性能、震动、操纵性能及主机能力等各方面因素。
若主机马力相同，则当螺旋桨船的推进效率高于双螺旋浆船，因为单螺旋桨位于船尾中央，且单桨的直径较双桨为大，故效率较高。
本文设计船的设计航速约为17.5kn的中速船舶，为获得较高的效率，选用单桨螺旋桨。
（2）螺旋桨叶数的选择根据过去大量造成资料的统计获得的桨叶数统计资料，取设计船螺旋桨的叶数为4叶。
考虑到螺旋桨诱导的表面力是导致强烈尾振的主要原因，在图谱设计中，单桨商船的桨叶数也选为4叶。
（3）桨叶形状和叶切面形状螺旋桨最常用的叶切面形状有弓形和机翼型两种。
弓形切面的压力分布较均匀，不易产生空泡，但在低载时效率较机翼型约低3%~4%。
若适当选择机翼型切面的中线形状使其压力分均匀，则无论对空泡或效率均有得益，故商用螺旋桨采用机翼型切面。
根据以上分析，选择MAU4叶桨系列进行螺旋桨设计。
1.1.2 螺旋桨推进因子螺旋桨的伴流分数取螺旋桨以等推力法进行敞水实验获得的实效伴流：0.404ω=推力减额按照汉克歇尔关于单桨螺旋桨标准商船公式进行计算：0.500.120.22P t C =-=主机的轴系传递效率： 0.97s η= 相对旋转效率： 1.00R η= 船身效率： 1 1.311H tηω-==-1.1.3 有效马力曲线有效马力曲线表征的是船体阻力特征。
基于BP人工神经网络和遗传算法的船舶螺旋桨优化设计
ＺＥＮＧ ｉ ｂ ，ＤＩ Ｚｈ － ｏ ＮＧ Ｅｎ－ｂ ｏ ＡＮＧ ａ ，Ｔ Ｄｅ
（ｈｎ ｈｐＳｉｎｆ ｅｅｒ ｅｔｒＷｕ ｉ １０ ２ Ｃ ｉａ Ｃ ｉａ ｉ ｃｅｔｉ Ｒ ｓａ ｈＣ ｎｅ， ｘ ２ ４ ８ ， ｈｎ） Ｓ ｉｃ ｃ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ａ ｄ ｓｇ ｐ ｉ ｚ ｔ ｎ ｍｅ ｈ ｄ ｆｒ ｓ ｉ ｒｐ ｌ ｒｂ ｓ ｄ ｏ Ｐ ｎ ｕ ａ ｅｗｏ ｋ ａ ｄ ｇ ｎ ｔ ｌ ｏ ｓｒ ｃ ： ｅ ｉｎ ｏ ｔ ｍｉ ｉ ｔ ｏ ｏ ｈ ｐ ｐ ｏ ｅｌ ａ ｅ ｎ Ｂ ｅ ｒ ｌ ｎ ｔ ｒ ｎ ｅ ｅｉ ａｇ — ａ ｏ ｅ ｃ
基于 Ｂ Ｐ人工神经网络和遗传算法 的 船舶螺旋桨优化设计
曾志 波 ，丁 恩 宝 ，唐 登 海
（ 中国 船舶 科 学 研 究 中心 ，江苏 无 锡 ２ ４ ８ ） １０２
摘 要 ：在 原 有 图谱 设 计 方 法 的 基 础 上 ， 用 Ｂ （ ａｋ Ｐｏａａ ｏ ） 工 神 经 网 络 模 型 和 遗 传 算 法 Ｇ Ｇ ｎｔ 采 Ｐ Ｂ ｃ— ｒｐｇｔ ｎ 人 ｉ Ａ（ ｅｅ ｃ ｉ
ａ ｄ ｔｅ ｏ ｈ ｒｉ ａ ｐ ｔ ｌｂ ａ ｒ ｐ ｌ ｒ ｓ ｏ ｈ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｍｅｈ ｄ ｃ ｎ ａ ｃ ｒ ｔ ｌ ｏ ｋ ｏ ｔ ｈ ｐ ｉ ｍ ｎ ｔ ｅ ａｒ ｏ ｔｐ ｏ ｅ ｌ ， ｈ ｗｓｔ ａ ｅ ｄ ｓｇ ｔ ｏ ａ ｃ ｕ ａｅｙ ｗ ｒ ｕ ｅ ｏ ｔ ｈ ｓ ｏ ｅ ｔ ｔ ｍｕ
ｐｒｐｅｌｒ ｎｄ ｃ ｎ ｂ ａ ｅ ｓａ ｐｒ ｃｉ ａ ｎ ｏ ｖ ｎ ｅ ｔｄ ｓｇ ｏ １ ｏ ｌｅ ，ａ ａ ｅ ｔ ｋ ｎ ａ ａ ｔｃ ｌａ ｄ ｃ ｎ ｅ ｉｎ ｅ ｉｎ ｔ ｏ ．
Ｋｅ ｒ ｓ ｕ ｆ ｃ ｉｒ ｉ ｇ ｐ ｏ ｅｌ ｒ Ｂ ｅ ｒ ｌ ｅｗｏ ｋ ｇ ｎ ｔ ｌｏ ｉ ｍ； ｅ ｉｎ ｏ ｔ ｚ ｔ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ：ｓ ｒ ｅ ｐ ｅｃ ｎ ｒ ｐ ｌ ； Ｐ ｎ ｕ ａ ｔ ｒ ； ｅ ｅｉ ａ ｇ ｒ ｈ ｄ ｓｇ ｐ ｉ ａｉ ａ ｅ ｎ ｃ ｔ ｍｉ ｏ
螺旋桨优化设计及特性分析
螺旋桨优化设计及特性分析概述：螺旋桨作为船舶和飞行器的重要部件，具有至关重要的作用。
优化设计和特性分析是研究螺旋桨性能的关键。
本文将从螺旋桨的设计原理、优化流程及特性分析三个方面探讨螺旋桨的优化设计及特性分析。
螺旋桨的设计原理：螺旋桨设计的基本原理是通过叶片的几何参数和其绕中心轴的旋转来造成流体的流动，从而产生推力。
螺旋桨的设计要素主要包括叶片数、叶片截面形状、叶片扭曲、叶片展位角等。
其中，叶片数和叶片截面形状直接影响螺旋桨的推进效率，而叶片扭曲和展位角的设计则会影响螺旋桨的噪音、振动等特性。
螺旋桨优化设计的流程：螺旋桨的优化设计可以分为几个步骤，包括初始设计、离散化、流场计算、性能评价和优化设计。
在初始设计阶段，需要确定螺旋桨的类型、工作条件和设计目标。
离散化是将连续的叶片分割成离散的控制点，以便进行后续的流场计算。
流场计算使用计算流体力学方法，通过求解流体力学方程组，分析螺旋桨的流场，得到其叶片负载和推力性能。
性能评价是对螺旋桨的性能指标进行综合评估，包括推力、效率和噪音等方面。
最后，根据评价结果进行优化设计，通过改变叶片几何参数，实现螺旋桨性能的最优化。
螺旋桨特性分析：除了优化设计，对螺旋桨特性的分析也是非常重要的。
特性分析包括推力特性、效率特性、噪音特性等方面。
推力特性是指在不同工况下，螺旋桨的推力输出量和输入功率之间的关系。
效率特性是指螺旋桨的功率转换效率，即输出推力与输入功率的比值。
噪音特性是指螺旋桨在运行时产生的噪音水平，主要影响因素有叶片振动、湍流噪音和相对流噪音等。
通过对这些特性的分析，可以评估螺旋桨的性能并对其进行改进。
结论：螺旋桨优化设计及特性分析是提高螺旋桨性能的关键。
通过合理的设计和优化，可以提高螺旋桨的推进效率和降低噪音水平，从而提升船舶和飞行器的整体性能。
在未来的研究中，可以结合新的设计理念和计算方法，进一步提高螺旋桨的性能，并在实际应用中持续改进和优化。
总而言之，螺旋桨的优化设计及特性分析是一个复杂且持续的工作，需要综合考虑多个因素和方法。
船用螺旋桨的参数化建模及数控加工
摘要船用螺旋桨是船舶动力系统的核心，其桨叶曲面是典型的自由曲面，设计和加工的质量直接影响螺旋桨的性能，而螺旋桨复杂的工作环境也对其建模及制造精度提出了更高的要求。
船用螺旋桨从设计到加工的过程复杂繁琐、周期较长，因此需要建立能够综合考虑螺旋桨设计、分析以及加工的螺旋桨参数化数学模型，并基于参数化模型对螺旋桨开展后续各项研究工作，以达到缩短螺旋桨的设计制造周期、提高生产效率的目的。
本文以实现螺旋桨参数化设计到数控加工为目的，建立了螺旋桨桨叶曲面的参数化方程，基于参数方程求解所得点建立了螺旋桨三维实体模型；以提高螺旋桨敞水效率为目的，对螺旋桨相关结构参数进行优化并进行了水动性能仿真；分析并制订了螺旋桨数控加工工艺，基于参数化模型编写了数控加工程序并进行了数控加工仿真与实验。
具体内容如下：在分析船用螺旋桨结构及成型原理的基础上，建立螺旋桨切面参数方程并推导了二维切面到三维空间的坐标转换公式，建立了桨叶曲面的参数化数学模型。
求解方程得到桨叶表面指定精度下的数据点，将其导入UG中建立三维实体模型。
对比传统由型值点所建立的螺旋桨模型，参数化方法建立的模型表面光顺性更优。
以螺旋桨最大敞水效率为目标，对螺旋桨盘面比、螺距比和进速系数等参数进行优化，得到了螺旋桨给定工况下的最佳匹配参数，优化后螺旋桨敞水效率提高了约3.18%。
对螺旋桨进行了水动性能仿真，验证了优化桨的敞水效率；分析了螺旋桨相关参数纵倾角和侧斜对螺旋桨敞水性能的影响。
分析螺旋桨的数控加工工艺，对加工阶段进行了划分，确定了毛坯、刀具、走刀方式等。
判断加工中干涉与过切情况，建立了刀具与工件间几何关系，研究了无干涉的刀具路径算法，基于桨叶的参数化数学模型计算了粗精加工的刀具轨迹，并通过后置处理将刀位信息转化为数控加工程序。
建立数控加工仿真环境，导入数控加工程序进行了数控加工仿真，仿真结果验证了刀具轨迹及数控程序，且螺旋桨获得较好的精度和表面质量。
最后在五轴数控机床上进行了加工实验。
螺旋桨流固耦合多目标优化设计
螺旋桨流固耦合多目标优化设计马 骋1，钱正芳1，2，陈 科1，张玉婷1，柯永胜1(1.海军装备研究院，北京 100161；2.海军工程大学，武汉 430030)摘要：本文提出将NSGA-Ⅱ多目标优化算法应用于螺旋桨多目标优化设计，并通过面元法和有限元法实现螺旋桨流固弱耦合。
通过计算安装在Seiun-Maru（一艘日本散货船）上的HPS大侧斜螺旋桨压力系数分布和压力脉动，考虑了流固耦合效应的计算精度要高于不考虑流固耦合效应，验证了考虑流固耦合的必要性。
本文以螺旋桨效率、非定常力和重量作为目标函数，在满足水动力性能、结构响应和空泡性能等约束条件下，选取描述螺旋桨外形的6个参数作为设计变量，以此建立优化函数。
在不同近似最优解和非设计点为初值的算例中，其结果均改善了所有目标函数，验证了本文方法的有效性、适用性和鲁棒性。
本文提出的多目标优化方法将有助于提高设计效率，节省计算资源，可成为未来螺旋桨设计的有效工具。
关键词：多目标优化设计；船舶螺旋桨设计；流固耦合中图分类号：U664.3文献标志码：AMulti-objecitve optimizal design of ship propeller considering fluid-structure interactionMa Cheng1，Qian Zhengfang1，2，Chen Ke1，Zhang Yuting1，Ke Yongsheng1（1.Naval Academy of Armament，Beijing 100161,china；2.Naval University of Engineering，Wuhan 430030,china）Abstract: This paper presents a multi-objective optimization methodology that applies the Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ(NSGA-Ⅱ) to propeller design, and realizes Fluid-Structure Interaction (FSI) weak-coupling based on Panel Method (PM) and the Finite Element Method (FEM). The necessary of FSI is validated by calculating pressure coefficient distribution and pressure fluctuation of HSP (a propeller installed on a Japanese bulk freighter - Seiun-Maru). The FSI results turn out to have higher precision than those without FSI. In the multi-objective optimization methodology, efficiency, unsteady force, and mass are chosen as optimum objectives under certain constraints. Effectiveness and robustness of the methodology are validated by running the program starting from nearly-optimum and off-design propollers respertively. The proposed multi-objective optimization methodology could be a promising tool for propeller design to help improve design efficiency and ability in the future.Key Words: multi-objective optimization design；ship propeller design；fluid-structure interaction0 引 言船舶螺旋桨的综合需求不断增加，给螺旋桨设计者带来了巨大的压力。
螺旋桨流场数值模拟与优化设计
螺旋桨流场数值模拟与优化设计螺旋桨是一种重要的船舶推进装置，它的设计和优化对于船舶的性能和效率具有关键作用。
而螺旋桨的性能与其流场密切相关。
为了更好地理解和优化螺旋桨的流场特性，数值模拟成为了一种重要的研究手段。
数值模拟是通过计算机模拟物理或工程现象的数学模型，以获取结果并推导出相应的结论。
在螺旋桨的数值模拟中，常用的方法是计算流体力学（CFD）方法。
CFD方法通过将流体划分成离散的计算单元，并运用守恒方程、流体运动方程和边界条件等基本原理，求解流体的速度、压力和其他相关参数。
首先，通过数值模拟可以获得螺旋桨的流场分布情况。
在数值模拟中，可以设定不同的边界条件和螺旋桨的几何参数，然后求解流场中的速度和压力分布。
通过分析螺旋桨周围的流场，可以了解到绕螺旋桨旋转的流体是如何受到螺旋桨叶片影响的。
这对于螺旋桨的设计和优化有着重要的参考价值。
其次，数值模拟还可以研究螺旋桨的性能参数，如推力、效率等。
在数值模拟中，可以计算螺旋桨叶片的力学特性，进而推导出螺旋桨的推力和效率。
通过改变螺旋桨的几何参数和边界条件，可以优化螺旋桨的设计，以达到更好的推进效果和节能效果。
此外，数值模拟还可以用于研究螺旋桨的噪声和振动特性。
对于大型船舶而言，螺旋桨的噪声和振动是非常重要的问题。
通过数值模拟可以预测和分析螺旋桨产生的噪声和振动，并寻找相应的改进方案。
这不仅可以提高船舶的运行安全性，还能减少对水生生物的干扰。
在数值模拟中，还可以考虑其他因素对螺旋桨性能的影响，如流体的黏性、湍流等。
这些因素都会对螺旋桨的流场分布和性能参数产生影响，因此在模拟中需要进行相应的考虑和分析。
此外，数值模拟还可以结合实验数据和现场观测结果，进行验证和修正，以提高模拟的准确性和可靠性。
总结而言，螺旋桨的流场数值模拟与优化设计在船舶工程领域中具有重要意义。
通过数值模拟，我们可以深入研究螺旋桨的流场特性，优化螺旋桨的设计和性能参数，并研究螺旋桨的噪声和振动特性。
船舶螺旋桨技术的最新进展与优化方案
船舶螺旋桨技术的最新进展与优化方案随着航运业的发展，船舶螺旋桨技术也在不断演进和进步。
本文将介绍船舶螺旋桨技术的最新进展和优化方案，以助于提高船舶性能和能源效率。
一、船舶螺旋桨技术的最新进展1. 利用计算流体力学(CFD)仿真模拟的应用计算流体力学是一种模拟流体运动和传热的数值计算方法，在船舶螺旋桨设计中起到了重要的作用。
通过使用CFD仿真模拟，设计人员可以预测船舶螺旋桨在水中的工作情况，从而对其进行优化。
这一技术的使用可以减少试验和改进周期，提高设计效率和成本效益。
2. 利用复合材料的应用传统的船舶螺旋桨通常使用铸铁或铜合金等金属材料制造，随着复合材料的发展，船舶螺旋桨也开始应用于复合材料制造。
复合材料螺旋桨具有更高的强度和更轻的重量，可以降低船舶的燃油消耗，提高航行速度和效率。
3. 螺旋桨翼型的优化设计船舶螺旋桨的翼型设计对于提高推进效率和减小噪音有重要影响。
近年来，研究人员通过优化螺旋桨的翼型设计，使得螺旋桨在水中工作时产生更小的湍流和阻力，从而提高推进效率和降低噪音。
二、船舶螺旋桨技术的优化方案1. 提高螺旋桨的材料和制造工艺船舶螺旋桨的材料和制造工艺对其性能有着直接的影响。
选择轻质、高强度的材料，并采用先进的制造工艺，可以提高螺旋桨的耐久性和抗腐蚀能力，同时降低螺旋桨的重量。
2. 优化螺旋桨的几何参数螺旋桨的几何参数是影响其推力和效率的重要因素。
通过调整螺旋桨的叶片数、叶片扭角、直径等几何参数，可以使螺旋桨在水中的工作更加有效，提高推进效率。
3. 运用可变螺距技术可变螺距技术可以根据船舶的速度和荷载情况自动调整螺旋桨的螺距，以提供最佳的推力和效率。
这一技术可以在不同工况下最大程度地利用螺旋桨的性能，提高船舶的能源利用效率。
4. 采用多螺旋桨系统多螺旋桨系统是一种将多个螺旋桨安装在船舶上的技术，通过相互配合和协同工作，可以提供更强的推力和精确的控制能力。
这种系统适用于大型船舶或需要高机动性的船只，可以显著提高船舶的操纵性和效率。
基于ANSYS的船用螺旋桨模态分析与优化设计
基于ANSYS的船用螺旋桨模态分析与优化设计利用UG软件对船用螺旋桨模型进行处理，并用ANSYS有限元仿真软件分析其模态振型，首先分析无支撑情况下螺旋桨单叶片的模态振型，提取振幅最大模态。
设计支撑方案，确定支撑位置并进行约束模态分析，结果显示螺旋桨单叶片频率有所提高，增加了加工刚度，最后确定优化的支撑方案，显著提高了螺旋桨的刚度，减小各阶模态的振动位移，对实际加工具有重要意义。
标签：ANSYS有限元分析；螺旋桨模态分析；优化设计Abstract：The model of marine propeller is processed by UG software，and its modal mode is analyzed by ANSYS finite element simulation software. Firstly，the modal mode of single blade of propeller without support is analyzed，and the maximum amplitude mode is extracted. The results show that the frequency of single blade of propeller is increased and the machining stiffness is increased. Finally，the optimized bracing scheme is determined，and the stiffness of propeller is improved significantly. It is of great significance to reduce the vibration displacement of each mode for machining.Keywords：ANSYS finite element analysis；propeller modal analysis；optimal design螺旋槳是舰船的主动力装置，其设计与制造精度直接决定舰船运行性能。
螺旋桨推进力学分析及优化设计
螺旋桨推进力学分析及优化设计导语：螺旋桨作为船舶和飞机等交通工具的关键部件，其推进力学分析和优化设计对于提高交通工具的性能至关重要。
本文将对螺旋桨的推进力学进行深入探讨，并提出一些优化设计的思路。
一、螺旋桨的工作原理螺旋桨是通过旋转产生推力，从而推动交通工具前进。
其工作原理可以简单概括为流体力学中的牛顿第三定律：每个动作都有一个相等且反向的反作用力。
当螺旋桨旋转时，它将水或空气推向后方，而反作用力则将船舶或飞机向前推进。
二、螺旋桨的推进力学分析1. 推进效率推进效率是衡量螺旋桨性能的关键指标。
推进效率取决于螺旋桨的推力和功率之间的比值。
理想情况下，推进效率应该接近100%，即所有输入的能量都被转化为推进力。
然而，在实际应用中，由于流体的粘性和其他损耗，推进效率往往低于理想值。
2. 推力的产生螺旋桨产生推力的原理是通过改变流体的动量来实现的。
当螺旋桨旋转时，它将流体加速并改变其动量方向，从而产生推力。
推力的大小取决于螺旋桨的旋转速度、叶片的形状和数量，以及流体的密度和速度等因素。
3. 水动力学效应在水中运行的船舶螺旋桨面临着水动力学效应的挑战。
例如，螺旋桨叶片周围的水流会形成旋涡，这会导致推进效率的降低。
此外，螺旋桨叶片与水的相互作用还会产生噪音和振动等问题。
因此，在螺旋桨的优化设计中，需要考虑如何减小水动力学效应对推进效率的影响。
三、螺旋桨的优化设计思路1. 叶片形状的优化螺旋桨叶片的形状对于推进效率具有重要影响。
通过优化叶片的几何形状，可以减小水动力学效应，提高推进效率。
例如，采用更加流线型的叶片形状可以减小阻力，提高推进效率。
2. 叶片材料的选择叶片材料的选择也对螺旋桨性能有着重要影响。
优质的材料可以提高螺旋桨的强度和耐久性，减小振动和噪音。
同时，材料的轻量化也可以降低螺旋桨的重量，提高推进效率。
3. 流体力学模拟与实验验证为了更好地理解螺旋桨的推进力学，可以借助流体力学模拟和实验验证的方法。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
在用图谱方法设计螺旋桨是一个很麻烦的工作，因为最优螺旋桨的设计牵涉到彼此干涉的因素，比如螺距比、盘面比、螺旋桨直径、航速等等。我就设想，是不是可以通过系统优化的方式来尝试解决这个问题。
1.2 具体问题
本次系统优化的设计问题就是：用最优化方法设计B系列船用螺旋桨
D1及D2为由船尾框架以及设计吃水的限制，给出的螺旋桨直径的上下限；
V1及V2为设计航速的限制，可根据试验资料给出。
5.
现以5000吨干货船的螺旋桨设计为例进行优化运算，已知的一些参数为：
主机功率 2700（马力）
螺旋桨转速 200（转/分）
轴系机械传动效率 0.97
伴流分数 0.3015
推力减额分数 0.21
相对选装效率 以及传动效率 按具体情况选定。
4.
和 可按（5）式及（6）式计算，但同时应满足如下关系：
(7)
其中，
而
为螺旋桨个数，i1为伴流不均匀对推力的影响系数，有效马力EHP可按试验资料查取，或按近似法估算。
（8）
其中，
式中， 为海水比重； 为伴流不均匀对转矩的影响系数。
显然，以上各有关等式应该满足如下关系：
进速 （4）
为伴流分数；
和 为螺旋桨的推力系数和转矩系数，可按B系列螺旋桨试验资料的回归公式计算：
（5）
（6）
其中，Z为螺旋桨叶数；
， ，s, t, u, v为诸回归系数，详见附录，可供查表。
将（3）至（6）代入（2）式，即可求得
（1）式中，船身效率
其中推力减额分数t及伴流分数w按试验资料或经验公式计算。
3.
设计船的总推进系数为
式中： ——螺旋桨敞水效率
——相对旋转效率
——船身效率
——传动效率
设计所追求的目标，是力求使PC达到最大值，那么我们采用下降算法，转化为求目标函数的最小值。因此，目标函数可以构造成：
（1）当 取得最小值时，PC达到最大值。在目标函数 的表达式中，
（2）
式中，进速系数
（3）
N为螺旋桨每秒转数；
式（5）—式（7）=0
式（6）—式（8）=0
这就构成了两个等式约束。
设计螺旋桨需要满足空泡要求，按Keller公式：
（9）
式中，P0——螺旋桨轴中心处的静压力；
Pv——15 时，水的汽化压力；
K——系数，快速双桨船为0；其它双桨船为0.1；单桨船为0.2。
由式（9）建立不等式约束为：
其它约束为：
其中， ；
伴流不均匀对推力及转矩的影响系数均为1.0
螺旋桨轴浸深 4.1（米）
将前述设计变量、目标函数以及约束公式用单纯形法，可求得如下表结果
叶数
5叶螺旋桨
4叶螺旋桨
D（米）
3.2619
3.3956
0.7181
0.6739
0.6075
0.5347
12.9576
13.0260
0.5952
0.6045
PC
0.5774
0.5864
本来，这样的问题的解决方法就是通过查图谱，在给定主机时，满足空泡要求，追求最高效率。现在，这个问题要有最优化方法来解决，就要求建立优化模型，再配后优化方法来解决。
优化模型的建立需要三的要素组成：
1．设计变量
2．目标函数
3．约束条件
优化方法通常可以用下降算法。
下面就进行一一说明。
2.
一般螺旋桨的叶数可以根据实际使用需求和经验先确定，那么就不列为设计变量了。然后将影响螺旋桨性能的主要几何参数螺距比 、盘面比 、螺旋桨直径 （m），以及和推进特性有重要关系的因素——航速 （kn）这四个因素作为设计变量，写成向量关系式：
目录
1.问题描述1
1.1设计特点1
1.2具体问题1
2.设计变量1
3.目标函数2
4.约束条件2
5.优化实例4
姓名：姜宇
学号：5050109001
1.
1.1设计特点
在工程设计问题中，“系统”的概念可大可小，大到一整条船可以使一个系统，小到一个减速齿轮箱也可以是一个系统。这取决于设计者从怎样一个高度来考虑问题，着眼点不同，系统就不同。但是，所有系统应该都是有一个共同点的，我认为，这个共同点就是它都应该牵涉到多个因素，且多个因素彼此制约影响，对整个体系起到影响。如果只用一个影响因素，就不能称其为系统了。