兼顾效率与空泡性能的桨叶剖面自动优化设计

引入数学上的NURBS曲线来表达翼型几何,成功实现翼型几何的自动变形与重构;之后借助于Isight优化平台,集成CFD技术构建二维翼剖面的多目标自动优化设计流程;并选择NACA 661-212翼型为设计对象,在兼顾效率和空泡性能的前提下,以升阻比和最小压力系数为设计目标进行优化设计,最终得到在相应设计点处两目标均有改善的翼型。该结果表明此设计方法的可行性,对推广至三维螺旋桨的优化设计提供一定的借鉴经验。     

基于CFD的翼型水动力性能多目标优化设计

随着计算机技术的飞速发展,如何进一步发挥CFD在船舶工程优化设计中的作用,成为当前CFD应用研究的一个重点.文章通过集成CFD工具、优化算法和几何重构技术构建了基于CFD的构型水动力性能优化设计平台.以翼型作为优化对象,阻升比和尾流均匀度作为目标函数,采用Bezier曲线方法实现翼型几何表达与重构,利用DOE和NSGAⅡ算法对NACA0024翼型进行了多目标全局优化设计,获得了均匀分布的Pareto最优解集.结果表明该平台可以用于翼型水动力性能多目标优化设计.此外,文中的工作为进一步开展基于CFD的船型水动力优化设计打下了坚实的基础.     

基于iSIGHT平台的翼型水动力优化

基于iSIGHT设计平台,结合计算流体力学软件Fluent对二维翼型NACA0012进行了多目标优化设计,以提高其水动力性能。设计过程中以雷诺平均Navier-Stokes方程为主控方程,采用了邻域培植遗传算法(NCGA)和非支配解排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)为优化算法,对二维翼型进行优化。优化结果表明,翼型的水动力性能有了明显提高,其升力系数提高,升阻比提高,最小压力系数上升,上表面峰值减小。该优化方法可以推广到多种翼型,对于船用翼的研究都有一定的意义。     

基于粒子群算法的水翼剖面优化设计

水翼是船舶设计和各种水中运动装置设计的重要组成部分,在船舶海洋工程领域的应用十分广泛.采用粒子群优化算法(PSO)对三维水翼翼型进行了以提高升阻比为目标的优化设计.翼型由解析函数线性叠加法表示,目标函数和粒子的适应度由基于面元法的流场数值解来提供.整个优化计算过程较传统的优化方法原理简单,计算量小,优化后的水翼型能较原翼型的水动力性能有明显改善.优化结果验证了粒子群优化算法结合面元法在水翼剖面优化设计中的可行性,对今后水翼剖面优化设计有一定借鉴意义。     

二维多翼翼型中拱线设计方法理论研究

基于势流理论和线性薄翼理论对二维多翼中拱线的设计问题开展理论研究。参考NACAa系列翼型设计思路,从均化翼型载荷的角度出发,建立了考虑多翼干扰效应的多翼翼型中拱线设计方法,将其应用到地效翼和栅格翼中,得到不同线性载荷参数和设计间距下的多翼中拱线解析式。该解析式物理意义明确,影响因素清晰,数学求解方便,对工程估算有重要参考价值。     

二维水翼的设计与优化

通过指定沿叶剖面的压力分布或速度分布来设计翼剖面是水翼设计优化的有效途径.在给定二维水翼表面压力分布的条件下,通过已知物体表面的扰动势分布,利用格林定理,建立求解物体表面法向速度的Dirichlet型边值方程.假定一个初始剖面,通过积分得到扰动势分布,利用面元法求解方程得到法向速度.物面边界条件用于剖面的形状修正,利用迭代计算方法可达到设计目标.通过调整压力分布,可对翼型进行优化.文中对对称翼及不对称翼进行设计,并优化设计了剖面A, B和C.     

海流能水轮机翼型水动力学特性分析

为探索海流能水轮机翼型水动力学特性变化规律,以NACA4412翼型为研究对象,验证了其适用于液体,分别以最大相对曲度及其所在位置、最大相对厚度及其所在位置为单一变量对翼型水动力学特性进行分析。结果表明:在满足材料承载能力和几何变形的前提下,为获取更高的捕能效率,应尽量增大翼型的最大相对曲度;攻角较小时应尽量减小翼型的最大相对厚度,否则反之;最大相对曲度或最大相对厚度的位置应尽量靠近翼型尾缘。     

鱼尾鳍数值模拟计算

以GAMBIT、TGRID为网格划分工具,通过FLUENT对鱼尾鳍进行数值模拟计算,并根据计算结果和特性曲线与风洞试验结果进行对比,分析绕鳍翼的水动力特性,分离流动性能。为后续鳍翼翼型开发、优化设计开创一种新的途径。     

粒子群算法在翼型剖面优化中的应用

为设计出具有良好升阻比性能的翼型剖面,采用智能优化领域新兴的粒子群优化算法(PSO)结合面元法对翼型进行优化设计。文中给出了PSO算法的数学模型及其在翼型优化设计中的主要计算过程,并以Naca66mod翼型为原型进行设计。获取了翼型优化过程中每一步处的翼型剖面形状、翼型表面压力系数分布以及翼型的升力系数、阻力系数和最大厚度比,结果分析表明经过优化后的翼型与原型相比,具有升力系数增加,阻力系数减小这一有利的特征改变。同时采用CFD方法对两种翼型进行数值模拟计算,获得同上的结论,进而验证了PSO方法在翼型优化设计中的可行性。     

大方形系数低速船艉部线型多目标优化设计

本文结合船型设计技术的最新发展动态,将高精度CFD数值评估技术与优化理论及船体几何自动重构技术相整合,建立了“以精细数值评估优化为特征”的船型设计方法。以阻力性能优异的6600DWT 散货船作为优化设计对象,总阻力和桨盘面流场品质作为目标函数,采用多目标粒子群优化算法（MOPSO）、FFD几何重构方法对船艉线型进行了自动优化设计。结果表明：在满足工程约束条件的情况下,6600DWT散货船优华设计方案阻力的收益较为显著,其中一个优方案在尾部流场质量改善的情况下,剩余阻力减小了10.3%。     

螺旋桨流固耦合多目标优化设计

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.     

基于多目标粒子群算法的翼剖面优化设计

船舶桨舵等装置均有水翼剖面组成,为了得到水动力性能更好的桨舵装置,需要对水翼进行优化设计。基于iSIGHT优化平台,采用粒子群优化算法,以保证水翼剖面升阻比和改善水翼表面压力分布为优化目标,进行多目标水翼优化。通过改变水翼剖面的拱度分布和厚度分布进行优化设计。优化后得到的最优剖面相对于原始剖面,明显增加了剖面的最小压力系数,并适当提高了升阻比,从而提高了水翼剖面的空泡性能和升力性能。因此,验证了利用多目标粒子群算法进行翼型优化设计的可行性。     

螺旋桨叶剖面优化设计比较研究

比较研究了船舶螺旋桨最高空泡起始航速的叶剖面优化设计方法。优化设计方法由剖面参数表达、空泡斗预报和最佳空泡起始性能遗传算法翼型优化三部分组成。Eppler方法采用10个参数表达任一翼型,已被有效应用到最高起始航速的螺旋桨叶剖面优化设计中。除了Eppler方法中的设计参数,剖面参数表达也可采用B样条曲线的控制点参数实现。对上述两种剖面参数表达方法进行了叶剖面优化设计比较研究,得到了一些结论。     

基于RANS 升力法的轴流泵多方案优化设计

传统升力法参考与设计泵性能接近的母型泵以完成两栖车喷水推进轴流泵设计，该方法设计的轴流泵水动力性能存在缺陷和不足，本文基于RANS法，借助于商用软件ICEM（前处理）和CFX（后处理）对传统升力法设计的轴流泵水动力性能缺陷和不足进行改进。在验证RANS法准确性的前提下，在某型两栖车喷水推进器的升力法设计过程中，母型泵与设计泵性能参数相差较大的情况下，通过RANS法对影响轴流泵水动力性能的相关参数进行优化，表明通过弦长优化方案和翼型拱度优化方案的轴流泵改进设计均能达到预期优化目标，其弦长变化比 或拱度变化比 时，其轴流泵的水动力性能较佳，满足最终设计方案需求。     

基于BP人工神经网络和遗传算法的船舶螺旋桨优化设计

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。     

低速大推力导管桨水动力性能预报及优化设计

为研究低速大推力导管桨水动力性能,应用商业软件Fluent,采用RANS方法结合k-ω湍流模型,开展了对原型和改型导管桨敞水状态下的数值计算。采用多运动参考坐标框架(MRF)技术,通过局部网格加密,来模拟桨叶和导管间的间隙流动。重点考察了设计工况点的水动力性能,压力分布等,通过计算分析,对导管桨(包括桨叶、导管以及前后定子)进行了优化设计。研究发现,导管桨在低速高负荷状态下,桨叶吸力面叶梢附近有很大的低压区。提高导管推力占比,可较大幅度提升推进效率。优化后置定子,能使效率得到一定提升。相关结果进行了试验验证,吻合良好,表明该数值研究方法可靠,具有广阔的工程应用前景。     

两种优化算法在螺旋桨优化设计中的应用与比较

为了获取合理且高效的船用螺旋桨,把数值优化算法引用到螺旋桨剖面设计中来。设计过程中以遗传算法和模拟退火算法为优化算法,以提高敞水效率为优化目标,通过优化算法的操作产生新翼型剖面,并结合面元法水动力性能预报程序进行原型桨与设计桨的水动力性能预报。由结果分析可知:结合优化算法的螺旋桨设计是可行的,且在算例中各算法的设置条件下,模拟退火算法无论在优化效果上还是在优化效率上都比遗传算法表现卓越。     

基于伴随方法的舰船推进器优化设计

[目的]为探索高效的螺旋桨优化设计方法,基于面元法开展伴随优化方法的研究.[方法]通过桨叶表面法向速度为零条件和等压库塔条件建立伴随方程,得到敏感导数求解式.以DTMB 4381螺旋桨为对象,分别运用伴随方法和传统的求解控制方程方法计算螺旋桨性能与参数之间的敏感导数;基于伴随方法对某螺旋桨进行敏感导数分析,再根据敏感导...     

考虑水弹性影响的螺旋桨设计方法研究

船用螺旋桨工作在低速重负荷工况、或采用大侧斜几何型式或采用复合材料时,其流固耦合现象较为突出,螺旋桨设计中若无法准确考虑其间的水弹性影响,将会造成船机桨失配及实船推进性能的错误预报。文章基于螺旋桨环流理论设计方法、螺旋桨流固耦合算法以及逐步逼近法,形成了一套可考虑水弹性影响的螺旋桨设计方法,重点讨论了流固耦合中水动力载荷更新方式、逐步逼近法中预变形松弛因子的选择对设计结果的影响。通过大侧斜螺旋桨及复合材料螺旋桨设计实例,进一步阐述了在螺旋桨设计中考虑水弹性的必要性,也验证了所开发设计平台的有效性。该设计平台为后续复合材料螺旋桨的优化设计提供了基础。     

基于SIMP拓扑优化理论的结构概念设计研究

为了探讨机床结构概念设计问题,并提供符合工程实际的、用于概念设计阶段的机床结构设计方法,文中将拓扑优化方法与有限元结合应用于结构概念设计进行了研究。以UG作为CAD造型平台,以ANSYS作为CAE有限元建模和分析平台,采用SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization)拓扑优化理论建立数学模型,并应用改进的启发式拓扑优化准则算法进行数学模型的求解,得到经过拓扑优化的结构概念设计的方案模型。文中将拓扑优化方法与CAD/CAE系统进行集成应用于解决船舶舵叶连接法兰面加工专机的升降台的拓扑结构优化。优化结果为结构详细设计阶段的形状优化和截面优化提供设计优化区域和原型。从结构概念设计的结果看出,其优化设计过程较稳定、有效,能够满足工程上概念设计的需要。