変形とキャビテーションを考慮した弾性プロペラの翼形状および剛性の最適化

考虑变形和空化的弹性螺旋桨叶片形状和刚度优化

• 批准号: 18K13943
• 负责人: 新川 大治朗
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: National Institute of Maritime, Port and Aviation Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-01 至 2019-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-18K13943/
• 关键词: 弾性変形プロペラ; キャビテーション; 流体構造連成計算; 多目的最適化; 固有直交分解法(POD); 多変数チェビシェフ近似; 推進性能; 船舶工学; 弾性プロペラ; 最適化

一般的に商舶用のプロペラは金属製であるが、近年、複合材料製のプロペラの開発と実用化がなされている。複合材料となることによりプロペラの弾性変形を利用し、船尾伴流中でキャビテーションを抑えることが期待されている。本研究の目的は、キャビテーションを抑え、なおかつ効率の良い弾性プロペラの翼形状と剛性を見出すこと、またプロペラ翼形状、翼の変形とキャビテーションの関係性を明確にすることであった。本研究では、揚力面理論とFEMを組み合わせることにより、弾性プロペラの構造流体連成計算法を開発した。なお揚力面理論計算によるプロペラ翼形状と特性の変化の影響については組合せラインCCD法による弾性プロペラ模型の変形量計測結果と比較して再現可能であることを検証した。また、パネル法によるプロペラ性能計算法によりプロペラ効率とキャビテーションの発生範囲を関数とした多目的最適化手法を開発した。さらに、設計空間内における設計変数と設計変数間の複雑な応答を可視化およびイメージ可能な単純な関数に抽出することのできる固有直交分解法を開発した。本手法によって、プロペラの設計変数（ピッチやキャンバーなど）によるプロペラ特性の変化を、単独の設計変数による影響（主要因効果）と2つ以上の設計変数による影響（交互作用）として抽出し、可視化することが可能になった。これにより有効なパラメータの確認が可能となった。本研究の結果、弾性プロペラが変形することに流体特性の変化の予測、またキャビテーションの発生範囲を考慮した多目的最適化、さらに設計変数がプロペラ特性に与える複雑な応答を抽出して可視化することが可能になった。

通常，用于海洋使用的螺旋桨是由金属制成的，但是近年来，已经开发了由复合材料制成的螺旋桨并将其用于实际使用。通过形成复合材料，预计将利用螺旋桨的弹性变形，并在船尾唤醒中抑制气蚀。这项研究的目的是找到弹性螺旋桨的叶片形状和刚性，弹性螺旋桨既有效又被抑制，并阐明了叶片形状与刀片和气蚀的变形之间的关系。在这项研究中，我们通过将提升表面理论与FEM相结合，为弹性螺旋桨开发了一种结构性流体耦合计算方法。此外，与使用组合线CCD方法的测量结果相比，可以重现螺旋桨叶片形状变化的影响以及由于提升表面计算理论而引起的特征的影响。此外，使用面板方法使用螺旋桨性能计算方法开发了一种多目标优化方法，该方法是螺旋桨效率和空化范围。此外，我们开发了一种特征性正交分解方法，该方法可以在设计空间内的设计变量之间提取复杂的响应，以可视化和成像的简单函数。通过提取单个设计变量（主要因素效应）的影响以及两个或多个设计变量（交互）的效果，该方法允许通过螺旋桨设计变量（例如俯仰，倾斜等）引起的螺旋桨特性的变化可视化。这使得可以检查有效的参数。这项研究的结果是，由于弹性螺旋桨的变形，多目标优化，可以预测流体特性的变化，并考虑到空化发生的程度，并提取和可视化设计变量对螺旋桨特征的复杂响应。

项目成果

Construction and Analysis of Response Surface between Blade Shape and Propeller Characteristics using Multivariate Chebyshev Approximation

多元切比雪夫近似的叶片形状与螺旋桨特性响应面的构建与分析

• 发表时间: 2019
• 期刊: Proceedings of Sixth International Symposium on Marine Propulsors
• 作者: Daijiro Arakawa;Koichiro Shiraishi;Jun Ando
• 通讯作者: Jun Ando