一种平流层复合材料螺旋桨综合优化设计方法及设计平台的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及平流层螺旋桨设计技术领域，具体为一种考虑流固耦合的平流层复合 材料螺旋桨综合优化设计方法及设计平台。
【背景技术】
[0002] 平流层螺旋桨的设计涉及到气动、结构等存在耦合的多个学科，高性能的设计方 案要求在气动和结构优化中主动考虑流固耦合的要求，实现气动、结构综合一体化设计。该 类综合优化问题存在优化变量多、分析工作量大、数据交换复杂等特点。目前，国内外考虑 流固耦合变形影响的螺旋桨优化设计方法还不完善，基本上都是对固定机翼的弹性变形以 及气动、结构优化设计进行研宄。因此，提出综合优化设计方法，并基于此搭建考虑流固耦 合的平流层复合材料螺旋桨综合优化设计平台是有必要的。首先是大量的气动、结构设计 变量怎么选取的问题，现有的针对平流层螺旋桨的设计还没有明确的减少设计变量的方 法，给优化过程增加难度；其次是优化过程涉及到多个学科，学科间的数据交换还存在问 题，组织实施有一定困难，迫切需要一种能协调各个学科之间耦合的完整优化系统。
[0003] 目前已有文献针对平流层复合材料螺旋桨的优化设计问题进行了初步研宄，但都 主要针对单纯的气动设计或者结构设计，没有将这两门学科有效的结合起来进行综合设 计。要真正有效地进行平流层螺旋桨的综合设计，目前亟待解决的问题有：一是气动、结构 优化变量的选取问题；二是流固耦合计算模块中的数据传递问题；三是气动、结构计算模 块与流固耦合计算模块的集成问题；四是选择合适的优化方法和优化策略。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有的设计方法中存在的气动设计和结构设计相互孤立的局面，本发明 提出一种考虑流固耦合的平流层复合材料螺旋桨综合优化设计方法。
[0005] 本发明的技术方案为：
[0006] 所述一种平流层复合材料螺旋桨综合优化设计方法，其特征在于：包括以下步 骤：
[0007] 步骤1 :选取设计变量：
[0008] 气动设计变量为：螺旋桨桨叶最大弦长所处的半径位置、螺旋桨桨叶最大弦长、螺 旋桨桨根处弦长、螺旋桨桨尖处弦长、螺旋桨桨根处桨距角、螺旋桨桨尖处桨距角、螺旋桨 桨叶最大弦长所处位置的桨距角；
[0009] 结构设计变量为：铺层组数、每一个铺层组的铺层层数、每一个铺层组的铺层角 度、每一个铺层组的铺层距离、每一个铺层组的材料；
[0010] 步骤2 :使用拉丁超立方实验设计方法在设计变量的取值范围内取值，得到若干 样本点组；
[0011] 步骤3:针对每一组样本点，提取其中的气动设计变量进行气动计算，提取其中的 结构设计变量进行结构计算，并在结构计算中考虑流固耦合的影响：
[0012] 步骤3. I :通过12个控制剖面将螺旋桨桨叶沿展向方向分为11个区域；根据7个 气动设计变量和螺旋桨桨叶弦长、桨距角沿桨叶展向方向的分布规律，得到12个控制剖面 的弦长和桨距角，并在相邻控制剖面间采用二次样条曲线拟合的方式得到螺旋桨桨叶的气 动外形，建立螺旋桨桨叶的气动模型，并以该气动模型进入步骤3. 2 ;
[0013] 步骤3.2 :基于进入本步骤的螺旋桨桨叶气动模型，通过基于含牛顿型子迭代的 全隐式双时间法引入多重网格技术和运动嵌套网格技术求解绝对坐标系下的雷诺平均 Navier-Stokes方程，数值模拟螺旋桨轴流黏性绕流，得到螺旋桨在轴流状态下的气动分布 力、拉力、功率、转矩和效率；
[0014] 步骤3. 3 :基于螺旋桨桨叶气动模型和四组结构设计变量，通过参数化建模得到 螺旋桨桨叶的结构模型；
[0015] 步骤3. 4 :将步骤3. 2所得的气动分布力转换到步骤3. 3所得的结构模型的网格 上，然后进行结构有限元计算，得到螺旋桨桨叶的应力、应变、频率、位移和重量；
[0016] 步骤3. 5 :将步骤3. 4得到的结构模型网格位移转换到气动模型表面网格上，得 到新的气动模型表面网格，并判断是否满足收敛条件，若不满足收敛条件则以得到的新的 气动模型表面网格返回步骤3. 2,若满足收敛条件则结束步骤3,得到该组样本点对应的响 应值，所述响应值为满足收敛条件的气动计算结果：螺旋桨在轴流状态下的气动分布力、拉 力、功率、转矩和效率，以及满足收敛条件的结构计算结果：螺旋桨桨叶的应力、应变、频率、 位移和重量；
[0017] 步骤4:判断步骤2得到的若干样本点组是否均计算完毕，若没有计算完毕则返回 执行步骤3,否则用步骤2得到的若干样本点组建立样本集，并以该样本集进入步骤5 ;
[0018] 步骤5 :根据进入本步骤的样本集以及样本集中样本点组对应的响应值构造代理 模型，并以该代理模型进入步骤6 ;
[0019] 步骤6 :基于进入本步骤的代理模型，采用遗传算法进行优化：
[0020] 步骤6. 1 :设置初始种群规模和最大进化代数，并建立气动和结构计算的优化目 标函数和约束条件；所述优化目标为：气动效率最高、重量最轻、频率最高；所述约束条件 为：气动约束条件：功率不大于螺旋桨驱动电机的最大输出功率，转矩不大于螺旋桨驱动 电机所能提供的最大转矩；结构约束条件：应力、应变满足铺层材料本身要求；
[0021] 步骤6. 2 :采用混合浮点数编码方法对气动设计变量进行编码，采用整数编码的 方法对结构设计变量进行编码，将气动设计变量以及结构设计变量的编码映射成一个基因 串；
[0022] 步骤6. 3 :根据步骤6. 1的优化目标函数和约束条件建立适应度函数；随机产生由 N个基因串组成的初始种群，并以初始种群进入步骤6. 4 ;
[0023] 步骤6. 4 :使用适应性函数对进入本步骤的种群进行评估，得到适应度值最高的C 个基因串；对得到的C个基因串进行交叉和变异操作，得到新一代种群；
[0024] 步骤6. 5 :判断是否达到最大进化代数，若没有达到最大进化代数，则以新一代种 群返回步骤6. 4,进行又一代进化，若达到最大进化代数，则对进化过程中所得到的最大适 应度基因串进行解码，得到最优样本点组；
[0025] 步骤7 :采用步骤3的气动计算和结构计算方法得到最优样本点组的响应值；计算 此次优化得到的最优样本点组的响应值与上一次优化得到的最优样本点组的响应值之差， 并判断差值与此次优化得到的最优样本点组的响应值之比是否不大于I %，若是，则输出此 次优化得到的最优样本点组及其响应值或者上一次优化得到的最优样本点组及其响应值， 否则，将此次优化得到的最优样本点组加入样本集，得到新的样本集；以新的样本集返回步 骤5。
[0026] 进一步的优选方案，所述一种平流层复合材料螺旋桨综合优化设计方法，其特征 在于：气动设计变量的取值范围为：螺旋桨桨叶最大弦长所处的半径位置：50% R~80% R ;螺旋桨桨叶最大弦长：〇. IR~〇. 2R ;螺旋桨桨根处弦长：0. 05R~0. 2R ;螺旋桨桨尖处弦 长：0. 02R~0.1 R ;螺旋桨桨根处桨距角：25°~45° ;螺旋桨桨尖处桨距角：5°~10° ; 螺旋桨桨叶最大弦长所处位置的桨距角：1〇°~15° ;R为螺旋桨桨叶半径。
[0027] 进一步的优选方案，所述一种平流层复合材料螺旋桨综合优化设计方法，其特征 在于：步骤3. 5中，收敛条件为：根据此次结构有限元计算得到的螺旋桨桨叶位移，得到此 次迭代计算后桨叶的最大扭转角度，并判断此次迭代计算得到的桨叶最大扭转角度与上次 迭代计算得到的桨叶最大扭转角度之差是否小于等于〇. Γ，若是，则满足收敛条件，否则 不满足收敛条件。
[0028] 所述一种平流层复合材料螺旋桨综合优化设计平台，其特征在于：包括主控计算 机系统、气动分析计算模块、结构分析计算模块；主控计算机系统、气动分析计算模块和结 构分析计算模块由百兆光纤连接成统一整体；主控计算机系统包括主控模块、数据库模块 和流固耦合计算模块；通过主控模块输入设计变量值、约束条件和目标函数，并运行气动计 算模块、结构计算模块和流固耦合计算模块；数据库模块为需要访问数据库的模块提供访 问接口，并且数据库模块中包括气动模型数据库、结构模型数据库和流固耦合模型数据库。
[0029] 有益效果
[0030] 本发明能够协调优化气动与结构设计，处理考虑流固耦合的平流层复合材料螺旋 桨综合优化设计问题，对平流层螺旋桨考虑气动和结构的要求有很强的针对性。本发明通 过考虑流固耦合的反馈，能够得到全局最优的气动、结构模型。通过具有统一接口标准的各 模块间的数据传递，有效地解决了各模块间数据交流困难，实现了涉及气动和结构学科的 各模块的自动协调运行。
[0031] 在平流层螺旋桨的设计阶段利用该发明在气动、结构优化中考虑流固耦合的要 求，可以获得弹性变形对气动设计和