基于遺傳算法的螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、全球航運(yùn)業(yè)的蓬勃發(fā)展及能源、環(huán)境問題的凸顯，“高效、節(jié)能、低碳”也越來(lái)越受到船舶設(shè)計(jì)人員的重視。螺旋槳承擔(dān)著將主機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為船舶航行所需推力的角色，其性能的優(yōu)秀與否可以直接影響船舶運(yùn)營(yíng)周期內(nèi)的能耗問題和碳排放問題，因而對(duì)船舶螺旋槳的要求也越來(lái)越高。其效率、空泡、強(qiáng)度、振動(dòng)等性能都需要統(tǒng)籌考慮，另外，對(duì)于某些特殊用途的螺旋槳，除了滿足上述基本要求之外，還需要滿足自身特有的設(shè)計(jì)約束。由此來(lái)看，船舶螺旋槳的設(shè)計(jì)問題是一個(gè)由多方面因素構(gòu)成

2、，并需要全面考慮的問題。是一個(gè)非線性的約束多目標(biāo)優(yōu)化問題。相比螺旋槳理論設(shè)計(jì)過程的“從無(wú)到有”。螺旋槳的優(yōu)化設(shè)計(jì)是以母型槳為初始點(diǎn)，對(duì)母型槳性能進(jìn)一步提升的過程。
　　基于對(duì)螺旋槳幾何參數(shù)與螺旋槳性能間的定性分析，確定螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，結(jié)合所選的優(yōu)化算法的求解思路，確定了優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，完成了對(duì)母型槳的優(yōu)化設(shè)計(jì)。文中對(duì)所用的水動(dòng)力求解工具面元法理論做了詳細(xì)推導(dǎo)，并給出了螺旋槳水動(dòng)力性能的具體求解公式；詳述了約束多

3、目標(biāo)優(yōu)化的理論，優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)，非支配解，及其基本求解方法：權(quán)重和方法，效用函數(shù)法，Pareto方法等，總結(jié)了各種方法的核心分析過程；對(duì)遺傳算法的基本原理，算法結(jié)構(gòu)做了介紹，詳細(xì)分析了三種基于Pareto理論的多目標(biāo)遺傳算法，指出多目標(biāo)遺傳算法與基本遺傳算法的不同主要體現(xiàn)在從適應(yīng)值分配到選擇算子這一新父代個(gè)體的產(chǎn)生過程上，對(duì)三種算法的該過程機(jī)理做了詳細(xì)的對(duì)比分析，另外，針對(duì)衡量遺傳算法的重要指標(biāo)——多樣性保持，進(jìn)行了分析，Pareto前沿

4、多樣性保持的主要方法有小生境共享函數(shù)法和擁擠距離法。
　　以螺旋槳葉剖面的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)象，根據(jù)螺旋槳葉剖面選擇的基本要求：較高升阻比，優(yōu)秀的空泡性能，建立了以翼型的升阻比和最大負(fù)壓力系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)的兩個(gè)目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，其中翼型的幾何通過基于母型的形函數(shù)線性疊加法表達(dá)，形函數(shù)選擇改進(jìn)的Hicks-Henne形函數(shù)，相比原始的Hicks-Henne形函數(shù)加入了尾緣擾動(dòng)，翼型水動(dòng)力性能的基于面元法得到，利用改進(jìn)的DPGA算法進(jìn)行優(yōu)化模

5、型的求解，DPGA算法的改進(jìn)考慮了兩方面的要求：Pareto前沿多樣性的保持和遺傳進(jìn)化過程中全局Pareto解的保存。前一個(gè)要求通過引入Pareto解相鄰距離結(jié)合聯(lián)賽選擇算子實(shí)現(xiàn)，后一要求則利用外部Pareto解集滿足，母型剖面和優(yōu)化后剖面的水動(dòng)力性能的對(duì)比分析驗(yàn)證了模型建立及求解思路的可行性。
　　考慮針對(duì)敞水效率的常規(guī)螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)，模型的建立需要滿足空泡和推力約束，以螺距的徑向分布為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的確定有兩種思路

6、：傳統(tǒng)的以母型槳的設(shè)計(jì)進(jìn)速下的敞水效率的最大化為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；實(shí)際船舶航行時(shí)由于風(fēng)、浪、流的影響使得實(shí)際螺旋槳的進(jìn)速在設(shè)計(jì)進(jìn)速點(diǎn)周圍一定范圍內(nèi)變化，將母型槳設(shè)計(jì)進(jìn)速點(diǎn)周圍一定范圍內(nèi)多個(gè)進(jìn)速所對(duì)應(yīng)的敞水效率的最大化設(shè)置為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)有一定的合理性。前一種是螺旋槳的單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，對(duì)螺距徑向分布曲線的控制參數(shù)編碼,采用SGA算法進(jìn)行求解。后一種是螺旋槳的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，分析目標(biāo)函數(shù)間的偏好關(guān)系，提出利用字典排序方法和權(quán)重和方法分別結(jié)