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。

商船的螺旋桨一般由金属制成，但近年来复合材料制成的螺旋桨已被开发并投入实用。该复合材料有望利用螺旋桨的弹性变形来抑制船尾尾流中的空化。本研究的目的是找到抑制空化且高效的弹性螺旋桨的叶片形状和刚度，并阐明螺旋桨叶片形状、叶片变形和空化之间的关系。在本研究中，我们结合升力面理论和有限元法，开发了一种弹性螺旋桨的结构-流体耦合计算方法。通过与使用组合线 CCD 方法测量弹性螺旋桨模型变形的结果进行比较，我们验证了基于升力面理论计算的螺旋桨叶片形状和特性变化的影响可以重现。此外，我们利用面板法的螺旋桨性能计算方法，开发了一种以螺旋桨效率和空化范围为函数的多目标优化方法。此外，我们开发了一种特征正交分解方法，可以将设计空间中的设计变量之间的复杂响应提取为可以可视化和成像的简单函数。使用这种方法，可以提取螺旋桨设计变量（螺距、弯度等）引起的螺旋桨特性变化，并将其可视化为单个设计变量的影响（主因素效应）和两个或多个设计变量的影响（相互作用）这样做成为可能。这使得确认有效参数成为可能。这项研究的结果是，可以预测由于弹性螺旋桨变形而导致的流体特性变化，执行考虑空化发生范围的多目标优化，并提取和可视化设计变量的复杂响应关于螺旋桨属性现在是可能的。

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