基于iSIGHT平台DOE方法的螺旋桨敞水性能优化设计_程成
相关主题
- 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)。
Engineous 公司开发的 iSIGHT 软件是通用的多学科优化 (MDO) 计 算 框 架 最 成 熟 的 代 表 ，可 以 将 数 字 技 术 、推 理 技 术 和 设 计 探 索 技 术 有 效 融 合 ，并 把 大 量 的 需 要 人 工 完 成 的 工 作 由 软 件 实 现 自 动 化 处 理 ，代 替 工 程 设 计 人 员 进 行 重 复 性 的 、易 出 错的数字处理和设计处理工作 。 [2]
主 机 的 匹 配 ，不 匹 配 的 方 案 是 无 意 义 的 。 本 文 的 问 题 是 要 优 化 螺 距 分 布 ，找 出 不 同 螺 距 分 布 对 效 率 和 最 小 压 力 系 数 的 影 响 规 律 。 根 据 螺 旋 桨 专 业 知 识 ，螺 旋 桨 的 推 力 系 数 和 扭 矩 系 数 与 平 均 螺 距 密 切 相 关 ，不 同 桨 之 间 若 仅 仅 螺 距 分 布 不 同 ，则 在平均螺距相同的条件下推力系数和扭矩系数是相当接近的。 在 iSIGHT 中可以加推力或扭矩的约束，对偏离范围的方案进 行惩罚。对本文这一具体问题，先根据 p1~p4 值，计算出平均 螺距，然后乘以一个系数修正到目标平均螺距，这样取其相对 值，就已经考虑了约束，在 iSIGHT 中就无需再设置约束了。若 p1~p4 都作为优化的参数，则有可能其中的一些方案分布规律 相同，因此把其中一个值 p4 固定，这样，优化的参数进一步简 化到只剩 3 个。并且根据经验对 p1、p2、p3 设置一个范围，限 制在 0.55~0.8 之间。 2.5 优 化 设 计 流 程 2.5.1 过 程 集 成
程 成 1， 须文波 1， 冷文浩 2 (1. 江南大学 信息工程学院，江苏 无锡 214122；2. 中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082)
摘 要：传统的螺旋桨 设计方法已经满 足不了进一步 提升其性能的要 求，并且现代环境 的变化不再仅仅 要求螺旋桨某 一性 能的 最优，而是 多方面综合性 能的最优。iSIGHT 多学科 优化设计平台提 供了完整的设 计综合环境和先 进的优化设计方 法， 能够 完成设计过程的 自动化和智能 的设计探索，确定 最佳设计参数 。基于 iSIGHT 平台的 实验设计方法建 立的螺旋桨敞 水性 能优 化方法使螺旋桨 效率和最小压 力系数都有提高 ，实现了优化目 的。 关键 词：多学科优化 ; 综合性能; 实 验设计; 过程 集成; 优化设计 中图 法分类号：TP391.77 文献标识码：A 文章编号：1000-7024 (2007) 06-1455-05
螺旋桨的形状至少需要 100 多个数据才能表达清楚。设计过 程 涉 及 到 很 多 程 序 ，如 图 谱 设 计 程 序 、升 力 线 / 升 力 面 设 计 程 序、Eppler 剖面设计程序、面元法预报程序、粘性 CFD 预报程 序 、有 限 元 强 度 计 算 程 序 、脉 动 压 力 预 报 程 序 等 十 几 个 程 序 ， 其 中 有 的 程 序 还 需 要 其 它 程 序 作 为 支 撑 ，把 这 些 程 序 集 成 起 来 成 为 有 机 的 整 体 ，本 身 就 是 一 件 非 常 复 杂 的 工 作 。
0引 言
随着民用船舶向大型化、超大型化方向发展，带来的必然 后 果 是 使 船 用 螺 旋 桨 盘 面 处 伴 流 场 不 均 匀 程 度 越 来 越 高 ，从 而恶化了螺旋桨工作环境；另外主机功率的增加，使螺旋桨单 位 面 积 上 的 负 荷 加 大 ，同 时 螺 旋 桨 叶 梢 流 动 线 速 度 也 大 大 增 加 ，这 些 促 使 螺 旋 桨 的 空 泡 和 激 振 问 题 变 得 十 分 突 出 。 使 螺 旋 桨 具 有 最 高 效 率 为 惟 一 设 计 目 标 的 做 法 已 成 为 历 史 ，现 代 螺 旋 桨 设 计 要 追 求 的 目 标 ，还 应 包 括 减 小 螺 旋 桨 对 船 体 的 诱 导脉动压力和轴承力，消除桨叶空泡带来的有害后果 (振动、 噪声以及桨叶和舵的剥蚀) 等要求。螺旋桨设计要求的复杂 化 ，使 设 计 性 能 良 好 的 螺 旋 桨 变 得 更 为 困 难 。
iSIGHT 软件是在解决工程实际问题的过程中产生的，在 过程集成以及多学科、多目标优化等方面功能强大，满足了当 前发展对螺旋桨优化设计的需求，因此选择 iSIGHT 作为螺旋 桨优化设计系统的软件平台。
1 iSIGHT 软件介绍
目前，大部分的设计过程经常面临着多学科的严峻挑战。 由 最 优 组 件 或 子 系 统 组 成 的 产 品 ，并 不 一 定 是 全 局 最 优 的 产 品 。 产 品 设 计 过 程 已 经 成 为 一 个 多 目 标 优 化 决 策 过 程 ，是 一 个 多 学 科 交 叉 综 合 设 计 的 优 化 过 程 。多 学 科 优 化 设 计 的 理 论
Design and optimization of open water performance of propeller based on isight platform DOE methods
CHENG Cheng1, XU Weng-bo1, LENG Wen-hao2 (1. Schoolof Information Technology, Southern Yangtze University, Wuxi 214122, China;
iSIGHT 具有强大的过程集成能力，能够将多学科代码 集成 并使流程 自动化，提供实时 监控和后 处理功 能，帮助数 据分析 。
iSIGHT 提供了 4 类设计优化算法：实验设计(DOE)：分析， 发 现 关 键 参 数 ，探 索 设 计 空 间 ；优 化 算 法 ：寻 找 满 足 约 束 条 件 和 目 标 函 数 的 最 好 设 计 方 案 ；近 似 方 法 ：用 近 似 模 型 代 替 运 行 时 间 长 的 计 算 机 模 型 ，以 快 速 获 得 解 答 ；质 量 工 程 方 法 ：寻 找 成 功 概 率 高 并 且 对 不 确 定 因 素 不 敏 感 的 设 计 方 案 ，最 终 达 到 稳健和可靠性。
DOI:10.16208/j.issn1000-7024.2007.06.065
第 28 卷 第 6 期 Vol. 28 No. 6
计算机工程与设计
Computer Engineering and Design
2007 年Hale Waihona Puke Baidu3 月 Mar. 2007
基于 iSIGHT 平台 DOE 方法的螺旋桨敞水性能优化设计
2. China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China)
Abstract：The traditional design method of propeller cannot meet the demand of farther improved performance, the change of modern environment demand not only the optimization of one performance but also the optimization of various comprehensive performance. iSIGHT-a multidisciplinary design optimization platform offer a integrated design environment and advanced design optimization methods, it complete design process automatically and design explore intelligently, confirm optimal design parameter. The open water performance optimization method of propeller based on design of experiment of Isight platform improve the efficiency and minimum pressure factor of propeller, then the purpose of optimization is implemented. Key words：multidisciplinary optimization; comprehensive performance; design of experiment; process integrate; design optimization
站的螺距进行优化，分别为 r/R=0.15、0.5、0.8、1.0，如图 1 所示， 对应的螺距比为 p1、p2、p4、p3，然后通过样条曲线插值获得其 它半径位置处的螺距。
P/D
p1
p2
p4 p3
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 r/R
图 1 螺旋桨螺距径向分布
2.4 设 计 约 束 螺 旋 桨 的 设 计 时 需 要 加 水 动 力 约 束 ，以 满 足 其 与 船 体 及
－ 1455 －
和 技 术 是 发 展 复 杂 工 程 系 统 如 飞 机 、卫 星 、导 弹 、舰 船 等 大 型 工程产品的关键。
多学科优化设计 (MDO) 是在传统设计方法、优化设计理 论 基 础 上 的 重 要 的 质 的 发 展 。 它 是 设 计 方 法 、传 统 的 机 械 设 计 知 识 、过 程 设 计 知 识 、现 代 信 息 技 术 交 叉 集 成 的 系 统 方 法 ， 可 适 应 大 规 模 的 工 程 产 品 、系 统 设 计 的 需 要 。 它 推 进 了 传 统 的 优 化 理 论 、方 法 的 发 展 ，是 现 代 设 计 空 间 探 索 优 化 的 系 统 性 理 论 、方 法 和 技 术 工 具 的 新 的 发 展 方 向 。
虽 然 螺 旋 桨 仅 是 船 舶 上 的 一 个 小 的 部 件 ，但 其 优 化 设 计 仍然是一个非常复杂的问题，优化涉及的主参数包括直径、叶 数 、盘 面 比 以 及 其 它 参 数 包 括 各 个 半 径 处 的 剖 面 、弦 长 分 布 、 最大厚度径向分布、螺距分布、侧斜分布、纵倾分布等等，一只
收稿日期：2006-03-30 E-mail：kingcheng_cheng@sohu.com 作者简介：程成 (1982－)，男，江苏徐州人，硕士，研究方向计算机软件设计； 须文波 (1946－)，男，江苏无锡人，博士，教师，博士生导 师，研究方向自动控制； 冷文浩 (1962－)，男，江苏无锡人，博士，研究员，研究方向为计算数学、CAE 二次开发和应用服务器研究。
在 以 前 的 设 计 和 开 发 实 践 中 ，在 一 个 最 终 的 设 计 方 案 得 到 以 前 ，计 算 流 体 力 学 分 析 和 测 试 确 认 一 般 都 要 伴 随 着 设 计 的 改 变 而 运 行 多 次 。这 就 是 生 产 设 计 实 践 中 典 型 的 设 计 － 评 估 － 再 设 计 的 循 环 。 这 个 循 环 包 括 了 改 变 设 计 ，运 行 模 拟 过 程 ，分 析 设 计 结 果 的 过 程 的 反 复 。 这 个 循 环 一 直 进 行 到 得 到 最 优 设 计 或 达 到 设 计 底 线 为 止 。 在 每 个 设 计 循 环 中 ，改 变 设 计 通 常 是 基 于 试 验 或 者 是 经 验 。模 拟 和 分 析 都 需 要 花 费 大 量 的 时 间 来 重 复 。 为 了 解 除 这 个 人 工 干 预 的 瓶 颈 ，就 要 能 集 成 计 算 流 体 力 学 分 析 和 优 化 设 计 的 过 程 。这 个 处 理 不 仅 减 少 生 产 设 计 的 循 环 时 间 ，而 且 它 能 集 成 最 新 成 熟 的 优 化 算 法 到 计 算 流 体 力 学 的 模 拟 程 序 中 去 ，从 而 能 实 现 计 算 机 设 计 自 动 化 的 潜 力 。 在 这 个 计 算 机 辅 助 设 计 的 过 程 中 ，可 以 应 用 计 算 流 体 力 学 模 拟 ，设 计 空 间 探 索 ，鲁 棒 性 设 计 和 质 量 工 程 等 方 法 ， 这样可以同时实现优异的设计和低廉的价格 。 [1]
主 机 的 匹 配 ，不 匹 配 的 方 案 是 无 意 义 的 。 本 文 的 问 题 是 要 优 化 螺 距 分 布 ，找 出 不 同 螺 距 分 布 对 效 率 和 最 小 压 力 系 数 的 影 响 规 律 。 根 据 螺 旋 桨 专 业 知 识 ，螺 旋 桨 的 推 力 系 数 和 扭 矩 系 数 与 平 均 螺 距 密 切 相 关 ，不 同 桨 之 间 若 仅 仅 螺 距 分 布 不 同 ，则 在平均螺距相同的条件下推力系数和扭矩系数是相当接近的。 在 iSIGHT 中可以加推力或扭矩的约束，对偏离范围的方案进 行惩罚。对本文这一具体问题，先根据 p1~p4 值，计算出平均 螺距，然后乘以一个系数修正到目标平均螺距，这样取其相对 值，就已经考虑了约束，在 iSIGHT 中就无需再设置约束了。若 p1~p4 都作为优化的参数，则有可能其中的一些方案分布规律 相同，因此把其中一个值 p4 固定，这样，优化的参数进一步简 化到只剩 3 个。并且根据经验对 p1、p2、p3 设置一个范围，限 制在 0.55~0.8 之间。 2.5 优 化 设 计 流 程 2.5.1 过 程 集 成
程 成 1， 须文波 1， 冷文浩 2 (1. 江南大学 信息工程学院，江苏 无锡 214122；2. 中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082)
摘 要：传统的螺旋桨 设计方法已经满 足不了进一步 提升其性能的要 求，并且现代环境 的变化不再仅仅 要求螺旋桨某 一性 能的 最优，而是 多方面综合性 能的最优。iSIGHT 多学科 优化设计平台提 供了完整的设 计综合环境和先 进的优化设计方 法， 能够 完成设计过程的 自动化和智能 的设计探索，确定 最佳设计参数 。基于 iSIGHT 平台的 实验设计方法建 立的螺旋桨敞 水性 能优 化方法使螺旋桨 效率和最小压 力系数都有提高 ，实现了优化目 的。 关键 词：多学科优化 ; 综合性能; 实 验设计; 过程 集成; 优化设计 中图 法分类号：TP391.77 文献标识码：A 文章编号：1000-7024 (2007) 06-1455-05
螺旋桨的形状至少需要 100 多个数据才能表达清楚。设计过 程 涉 及 到 很 多 程 序 ，如 图 谱 设 计 程 序 、升 力 线 / 升 力 面 设 计 程 序、Eppler 剖面设计程序、面元法预报程序、粘性 CFD 预报程 序 、有 限 元 强 度 计 算 程 序 、脉 动 压 力 预 报 程 序 等 十 几 个 程 序 ， 其 中 有 的 程 序 还 需 要 其 它 程 序 作 为 支 撑 ，把 这 些 程 序 集 成 起 来 成 为 有 机 的 整 体 ，本 身 就 是 一 件 非 常 复 杂 的 工 作 。
0引 言
随着民用船舶向大型化、超大型化方向发展，带来的必然 后 果 是 使 船 用 螺 旋 桨 盘 面 处 伴 流 场 不 均 匀 程 度 越 来 越 高 ，从 而恶化了螺旋桨工作环境；另外主机功率的增加，使螺旋桨单 位 面 积 上 的 负 荷 加 大 ，同 时 螺 旋 桨 叶 梢 流 动 线 速 度 也 大 大 增 加 ，这 些 促 使 螺 旋 桨 的 空 泡 和 激 振 问 题 变 得 十 分 突 出 。 使 螺 旋 桨 具 有 最 高 效 率 为 惟 一 设 计 目 标 的 做 法 已 成 为 历 史 ，现 代 螺 旋 桨 设 计 要 追 求 的 目 标 ，还 应 包 括 减 小 螺 旋 桨 对 船 体 的 诱 导脉动压力和轴承力，消除桨叶空泡带来的有害后果 (振动、 噪声以及桨叶和舵的剥蚀) 等要求。螺旋桨设计要求的复杂 化 ，使 设 计 性 能 良 好 的 螺 旋 桨 变 得 更 为 困 难 。
iSIGHT 软件是在解决工程实际问题的过程中产生的，在 过程集成以及多学科、多目标优化等方面功能强大，满足了当 前发展对螺旋桨优化设计的需求，因此选择 iSIGHT 作为螺旋 桨优化设计系统的软件平台。
1 iSIGHT 软件介绍
目前，大部分的设计过程经常面临着多学科的严峻挑战。 由 最 优 组 件 或 子 系 统 组 成 的 产 品 ，并 不 一 定 是 全 局 最 优 的 产 品 。 产 品 设 计 过 程 已 经 成 为 一 个 多 目 标 优 化 决 策 过 程 ，是 一 个 多 学 科 交 叉 综 合 设 计 的 优 化 过 程 。多 学 科 优 化 设 计 的 理 论
Design and optimization of open water performance of propeller based on isight platform DOE methods
CHENG Cheng1, XU Weng-bo1, LENG Wen-hao2 (1. Schoolof Information Technology, Southern Yangtze University, Wuxi 214122, China;
iSIGHT 具有强大的过程集成能力，能够将多学科代码 集成 并使流程 自动化，提供实时 监控和后 处理功 能，帮助数 据分析 。
iSIGHT 提供了 4 类设计优化算法：实验设计(DOE)：分析， 发 现 关 键 参 数 ，探 索 设 计 空 间 ；优 化 算 法 ：寻 找 满 足 约 束 条 件 和 目 标 函 数 的 最 好 设 计 方 案 ；近 似 方 法 ：用 近 似 模 型 代 替 运 行 时 间 长 的 计 算 机 模 型 ，以 快 速 获 得 解 答 ；质 量 工 程 方 法 ：寻 找 成 功 概 率 高 并 且 对 不 确 定 因 素 不 敏 感 的 设 计 方 案 ，最 终 达 到 稳健和可靠性。
DOI:10.16208/j.issn1000-7024.2007.06.065
第 28 卷 第 6 期 Vol. 28 No. 6
计算机工程与设计
Computer Engineering and Design
2007 年Hale Waihona Puke Baidu3 月 Mar. 2007
基于 iSIGHT 平台 DOE 方法的螺旋桨敞水性能优化设计
2. China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China)
Abstract：The traditional design method of propeller cannot meet the demand of farther improved performance, the change of modern environment demand not only the optimization of one performance but also the optimization of various comprehensive performance. iSIGHT-a multidisciplinary design optimization platform offer a integrated design environment and advanced design optimization methods, it complete design process automatically and design explore intelligently, confirm optimal design parameter. The open water performance optimization method of propeller based on design of experiment of Isight platform improve the efficiency and minimum pressure factor of propeller, then the purpose of optimization is implemented. Key words：multidisciplinary optimization; comprehensive performance; design of experiment; process integrate; design optimization
站的螺距进行优化，分别为 r/R=0.15、0.5、0.8、1.0，如图 1 所示， 对应的螺距比为 p1、p2、p4、p3，然后通过样条曲线插值获得其 它半径位置处的螺距。
P/D
p1
p2
p4 p3
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 r/R
图 1 螺旋桨螺距径向分布
2.4 设 计 约 束 螺 旋 桨 的 设 计 时 需 要 加 水 动 力 约 束 ，以 满 足 其 与 船 体 及
－ 1455 －
和 技 术 是 发 展 复 杂 工 程 系 统 如 飞 机 、卫 星 、导 弹 、舰 船 等 大 型 工程产品的关键。
多学科优化设计 (MDO) 是在传统设计方法、优化设计理 论 基 础 上 的 重 要 的 质 的 发 展 。 它 是 设 计 方 法 、传 统 的 机 械 设 计 知 识 、过 程 设 计 知 识 、现 代 信 息 技 术 交 叉 集 成 的 系 统 方 法 ， 可 适 应 大 规 模 的 工 程 产 品 、系 统 设 计 的 需 要 。 它 推 进 了 传 统 的 优 化 理 论 、方 法 的 发 展 ，是 现 代 设 计 空 间 探 索 优 化 的 系 统 性 理 论 、方 法 和 技 术 工 具 的 新 的 发 展 方 向 。
虽 然 螺 旋 桨 仅 是 船 舶 上 的 一 个 小 的 部 件 ，但 其 优 化 设 计 仍然是一个非常复杂的问题，优化涉及的主参数包括直径、叶 数 、盘 面 比 以 及 其 它 参 数 包 括 各 个 半 径 处 的 剖 面 、弦 长 分 布 、 最大厚度径向分布、螺距分布、侧斜分布、纵倾分布等等，一只
收稿日期：2006-03-30 E-mail：kingcheng_cheng@sohu.com 作者简介：程成 (1982－)，男，江苏徐州人，硕士，研究方向计算机软件设计； 须文波 (1946－)，男，江苏无锡人，博士，教师，博士生导 师，研究方向自动控制； 冷文浩 (1962－)，男，江苏无锡人，博士，研究员，研究方向为计算数学、CAE 二次开发和应用服务器研究。
在 以 前 的 设 计 和 开 发 实 践 中 ，在 一 个 最 终 的 设 计 方 案 得 到 以 前 ，计 算 流 体 力 学 分 析 和 测 试 确 认 一 般 都 要 伴 随 着 设 计 的 改 变 而 运 行 多 次 。这 就 是 生 产 设 计 实 践 中 典 型 的 设 计 － 评 估 － 再 设 计 的 循 环 。 这 个 循 环 包 括 了 改 变 设 计 ，运 行 模 拟 过 程 ，分 析 设 计 结 果 的 过 程 的 反 复 。 这 个 循 环 一 直 进 行 到 得 到 最 优 设 计 或 达 到 设 计 底 线 为 止 。 在 每 个 设 计 循 环 中 ，改 变 设 计 通 常 是 基 于 试 验 或 者 是 经 验 。模 拟 和 分 析 都 需 要 花 费 大 量 的 时 间 来 重 复 。 为 了 解 除 这 个 人 工 干 预 的 瓶 颈 ，就 要 能 集 成 计 算 流 体 力 学 分 析 和 优 化 设 计 的 过 程 。这 个 处 理 不 仅 减 少 生 产 设 计 的 循 环 时 间 ，而 且 它 能 集 成 最 新 成 熟 的 优 化 算 法 到 计 算 流 体 力 学 的 模 拟 程 序 中 去 ，从 而 能 实 现 计 算 机 设 计 自 动 化 的 潜 力 。 在 这 个 计 算 机 辅 助 设 计 的 过 程 中 ，可 以 应 用 计 算 流 体 力 学 模 拟 ，设 计 空 间 探 索 ，鲁 棒 性 设 计 和 质 量 工 程 等 方 法 ， 这样可以同时实现优异的设计和低廉的价格 。 [1]