无轴轮缘推进器的设计与多目标优化

作     者：刘亮亮 

作者单位：江汉大学 

学位级别：硕士

导师姓名：卞涛

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 082402[工学-轮机工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：无轴轮缘推进器 近似模型 多目标优化 工件防护与设计 

摘      要：本文针对无轴轮缘推进器(Shaftless Rim-driven Thruster,以下简称:RDT)的结构进行合理简化,对其螺旋桨和导管进行建模和仿真,总结分析其水动力特征和趋势,并在此基础上研究并提出RDT桨叶的结构优化策略。本文首先在传统螺旋桨的研究基础上,改进有轴驱动方式,采用无轮毂型轮缘驱动,将中心轴加叶片的组合方式改变为轮缘加叶片的组合方式,并选用无刷直流电机带动轮缘,从而驱动叶片旋转。由于改变了桨叶的组合方式,为保证螺旋桨的结构强度以及水动力性能,必须要调整桨叶的厚度分布。通过重新确定桨叶厚度中心和对应置换厚度值两步操作,得到了新的桨叶厚度分布;通过三维坐标转换得到桨叶的坐标点集,据此创建出RDT的简化模型;利用STAR-CCM+软件对简化模型进行仿真并分析其敞水性能。其次,确定桨叶的设计参数范围,选定算法模型以建立近似模型,针对近似模型进行误差分析,保证近似模型的输出和输入符合原样本关系。结果表明,根据响应面(Response Surface Method,以下简称:RSM)和径向基神经网络(Radial Basis Function,以下简称:RBF)建立的两种近似模型均具有较好的可靠性。此外,还进行了主成分分析,得到各设计参数对优化目标影响程度的量化指标,为接下来的结构优化提供依据。随后,选定Muti-Island GA作为多目标优化算法,设定优化参数,再进行优化流程初始化,开始优化。随着迭代完成,得到基于RSM和RBF近似模型的两组优化参数。结合前期仿真流程和方法,将两组参数进行仿真计算验证。结果表明,RBF设计得到的模型在各项性能指标(推进效率、推力系数等)上都优于RSM设计得到的模型。从推进效率来看,当进速系数大于或等于0.4时,RBF结果高于RSM结果,最大提升幅度约为5%;当进速系数小于0.4,RBF结果同RSM结果相近。最后,设计和加工RDT的壳体,并完成所有工件的防护方案设计。对于壳体的设计而言,参照了传统推进器的设计思路,将RDT设计为三段式,即壳体重心处为螺旋桨,前后为自润滑轴承,尾部为壳盖,提高了工件集成度。工件防护方案设计主要是从材料、涂装以及结构设计三部分完成,提升了RDT整体的抗腐蚀性能。