螺旋槳優化設計的案例
分布式電推進飛行器高性能螺旋槳設計
與常規飛行器相比較，分布式電推進飛行器全機性能主要由分布式動力系統與機翼之間的耦合特性所決定，因此其氣動設計問題已由傳統機翼的干凈外形設計問題轉變為分布式動力與機翼強耦合下的最優特性設計問題，這對分布式電推進飛行器的動力系統和機翼等均提出了不同的要求。如美國X-57全電飛機所采用的分布式螺旋槳就與傳統螺旋槳不同，它是作為一種特殊的增升裝置，以改善飛機滑跑起降狀態下的升力特性為目標進行設計，被稱為“高升力螺旋槳”。因此，需要進一步結合分布式電推進飛行器發展，探討新型高性能動力單元和分布式動力系統的設計思想和設計方法，為下一步開展創新性研究提供建議和指引。
圖1 X-57分布式電推進飛行器
2
主要內容
以類X-57分布式電推進飛行器為研究對象，脫離了傳統螺旋槳僅僅追求高推進效率的思路，提出并發展了以單位能量下獲得螺旋槳/機翼綜合氣動效率最優為目標的高性能螺旋槳優化設計思路和方法。
文章首先對模擬螺旋槳旋轉運動的數值方法進行介紹和算例驗證，包括多重參考坐標系方法、面源法和葉素動量理論方法3種，保證螺旋槳數值模擬和數值設計的準確性和可靠性。其次，對所發展的如下圖所示高性能螺旋槳優化設計方法框架和設計步驟進行介紹和分析，設計過程主要包括螺旋槳槳葉氣動載荷分布獲取，螺旋槳槳葉氣動載荷分布優化設計，以及任意環量分布下的高性能螺旋槳槳葉快速反設計。
展開 仿真驅動的螺旋槳最優化方案
棲云科技憑借對氣動仿真技術的理解，近期推出了一套面向無人機企業的螺旋槳定制設計、制造服務。
眾所周知，計算流體力學模擬仿真技術在飛機、無人機設計上早已有了深入應用，在螺旋槳設計優化上也屢見不鮮，可以很容易查到相關文章、論文，然而很少有成熟的商業應用方案。棲云基于已有研究基礎，結合CFD仿真工具和三維建模軟件開發出一套數字化、全自動的螺旋槳設計、優化方法，極大減少了設計周期，降低了開發成本。
3、優化方案過程、方法
首先，采用三維軟件對螺旋槳進行參數化建模，將關鍵參數如槳距角、弦長等進行參數化；其次，將三維軟件和CFD仿真軟件進行交互，以參數化形式交換螺旋槳數據。數字化后的螺旋槳三維模型自動進行數值仿真，反饋結果后重新調整三維模型自動重建，輸入仿真軟件進行二次計算，如此迭代反復。最后，依靠遺傳算法、神經網絡等優化算法獲得最優的螺旋槳幾何參數。整個過程自動完成，來流、槳距角等關鍵參數自動尋優。
展開 基于模板技術構建船舶螺旋槳設計平臺
模板是提取設計過程中可重復的設計、建模、分析操作過程并進行封裝，從而形成的模塊化組件。運用模板技術構建統一關聯模型，集螺旋槳理論設計、螺旋槳快速建模、螺旋槳水動力性能分析及螺旋槳結構強度分析于一體，形成基于流程和知識驅動的螺旋槳集成設計與分析一體化應用平臺。
0 引言
隨著三維設計技術及其工具軟件的發展，螺旋槳三維幾何模型已建立起來，并通過相應的分析軟件對其進行了仿真評估。但螺旋槳三維設計CAD系統與仿真分析CAE軟件之間的數據轉換和信息集成問題還未得到有效解決，導致三維模型無法直接用于螺旋槳的工程分析。另外，螺旋槳設計的經驗和知識都掌握在少數人手中，很難重復利用，易對企業造成很高的知識風險。螺旋槳設計工具相互孤立，不成體系，異常復雜的數據流主要依賴人工勞動，設計并行度低，管理難度大，嚴重影響了設計質量和效率，使得設計過程很難實現關聯設計和優化設計。因此，螺旋槳設計平臺的建立勢在必行。
國際上的研究機構基于以前發展的各種方法建立了有效的螺旋槳設計系統。20世紀90年代，美國泰勒水池就開展了螺旋槳優化設計集成系統的研究。HydroComp.IN公司的HYDROCOMP系列軟件包括NavCAD，ProExpert和ProCAD三個模塊，分別用于解決船舶推進系統分析、螺旋槳設計和計算機輔助螺旋槳生產等領域的實際問題。美國AMI公司的VSAERO和USAERO軟件提供螺旋槳水動力分析，MARINTEK的AKPD/AKPA系統和MARIN的EXCALIBUR和PROCAL系統都是設計和分析螺旋槳的集成系統。
展開 eVTOL飛行器螺旋槳多學科設計分析與優化
在任何復雜系統的設計中，設計優化都是提高產品性能、滿足各種利益相關者要求、減少成本和上市時間的關鍵活動。在設計空間的自動搜索中，設計優化廣泛使用了計算機輔助工程（CAE）仿真。工程系統結合了子系統和組件；每個部件都由不同的物理建模，性能評估涵蓋了一系列工程學科，包括：流體動力學、結構、熱學、電磁和許多其他學科。這種組合被稱為多學科設計分析與優化（MDAO）。使用MDAO框架的動機是尋求一種行之有效的方法，以滿足不斷變化和日益復雜的環境的需求。
為什么要在eVTOL飛行器開發中進行多學科設計分析與優化（MDAO）
在過去的十年里，分布式電力推進（DEP）在航空領域的興起為飛行器設計問題增添了一種新的范式。電動垂直起降（eVTOL）飛行器在獨特的多學科環境中工作。這類飛行器的螺旋槳必須在巡航以及垂直和過渡飛行模式下運行。一些設計使用一組電動高升力螺旋槳（HLP）來增加流量，以在低速飛行條件下增加升力，而其他設計可以為垂直或短距起飛和著陸（V/STOL）提供額外的推力。幾個概念旨在實現機身空氣動力學和戰略集成推進器之間的良好相互作用，實現迄今為止無法實現的性能優勢。這些螺旋槳必須結構良好，以應對復雜的飛行器過渡。
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現場公開課 | Ansys空氣螺旋槳設計、仿真與優化專題
本次培訓包含了空氣螺旋槳設計理論、翼型氣動理論及氣動計算、槳葉的建模、氣動性能、氣動噪聲和流固耦合的數值計算及優化設計的完整流程。
一、培訓目標
1.掌握空氣螺旋槳流體設計、數值計算驗證、優化的完整流程;
2.掌握空氣螺旋槳的數值計算驗證技術；
3.掌握空氣螺旋槳氣動噪聲、流固耦合等高級仿真技術；
4.可成為獨立軸流旋轉機械設計或仿真工程師，如風機、壓氣機、渦輪、泵等。
案例分享 | 雅馬哈直升機螺旋槳的聲音設計
從那時起，雅馬哈發動機不斷在其原始設計的基礎上進行改進，優化無人直升機在不同環境中的使用。
設計無人直升機時要考慮的一個關鍵因素是飛行器將在哪里飛行。任何在居民區飛行的飛行器都需要限制其產生的噪音。正如雅馬哈發動機公司機器人事業部 KentaMizuno所解釋：“較低的噪音水平有利于操作員。對于農業用途，我們必須降低無人直升機產生的噪音，因為它們將飛越住宅區周圍的田野。降噪還有助于減輕操作員的疲勞。到目前為止，我們主要通過采用四沖程發動機來實現發動機降噪。但是，現在想要更進一步，降低主旋翼造成的噪音”
設計無人直升機的挑戰
直升機的主要聲音來源之一是主旋翼葉片引起的流體噪聲。
由于無法使用隔聲罩來阻止轉子的噪音傳播，雅馬哈不得不考慮轉子速度和葉片形狀的設計。
然而，這兩個因素對直升機的整體性能都有很大影響，任何變化都會產生需要優化的多種設計權衡。
一旦產品規格細節到位，評估工業產品的聲學性能非常復雜，并且通常在設計的后期階段。但是，在設計過程后期將聲學性能評估的結果納入規范會產生一系列問題：例如，工程師必須回頭來查看更改對先前設計決策的影響，這是一個費力的過程，且可能導致交貨時間的延長。出于這個原因，雅馬哈希望在設計初期整體考慮各方面的設計因素與產品性能。
使用聯合仿真技術進行無人直升機的流體-結構-聲學仿真設計
雅馬哈發動機公司基于 MSC CoSim聯合仿真模塊來全面評估無人直升機“FAZER R”的性能（圖 1）。MSC CoSim提供了一個聯合仿真的接口，可將不同求解器/學科與多物理場雙向強耦合起來。使用MSC CoSim，雅馬哈能夠通過交互傳輸數據的多學科軟件產品同時執行多項分析。
展開 案例分享 | 雅馬哈直升機螺旋槳的聲音設計
從那時起，雅馬哈發動機不斷在其原始設計的基礎上進行改進，優化無人直升機在不同環境中的使用。
設計無人直升機時要考慮的一個關鍵因素是飛行器將在哪里飛行。任何在居民區飛行的飛行器都需要限制其產生的噪音。正如雅馬哈發動機公司機器人事業部 KentaMizuno所解釋：“較低的噪音水平有利于操作員。對于農業用途，我們必須降低無人直升機產生的噪音，因為它們將飛越住宅區周圍的田野。降噪還有助于減輕操作員的疲勞。到目前為止，我們主要通過采用四沖程發動機來實現發動機降噪。但是，現在想要更進一步，降低主旋翼造成的噪音”
設計無人直升機的挑戰
直升機的主要聲音來源之一是主旋翼葉片引起的流體噪聲。
由于無法使用隔聲罩來阻止轉子的噪音傳播，雅馬哈不得不考慮轉子速度和葉片形狀的設計。
然而，這兩個因素對直升機的整體性能都有很大影響，任何變化都會產生需要優化的多種設計權衡。
一旦產品規格細節到位，評估工業產品的聲學性能非常復雜，并且通常在設計的后期階段。但是，在設計過程后期將聲學性能評估的結果納入規范會產生一系列問題：例如，工程師必須回頭來查看更改對先前設計決策的影響，這是一個費力的過程，且可能導致交貨時間的延長。出于這個原因，雅馬哈希望在設計初期整體考慮各方面的設計因素與產品性能。
使用聯合仿真技術進行無人直升機的流體-結構-聲學仿真設計
雅馬哈發動機公司基于 MSC CoSim聯合仿真模塊來全面評估無人直升機“FAZER R”的性能（圖 1）。MSC CoSim提供了一個聯合仿真的接口，可將不同求解器/學科與多物理場雙向強耦合起來。使用MSC CoSim，雅馬哈能夠通過交互傳輸數據的多學科軟件產品同時執行多項分析。
展開 設計仿真 | 基于Actran的螺旋槳非空化噪聲仿真研究
研究背景及內容
螺旋槳是船舶的主要推進器之一，具有良好的水動力性能、較高的推進效率和簡單的結構等特點。然而，在船舶設計和運行中，螺旋槳的噪聲問題一直是一個重要且復雜的挑戰。
本研究使用仿真手段對旋轉槳的非空化噪聲進行研究。研究分為流體動力學仿真計算和聲學仿真計算，流體計算以縮比的DMPT P4119標準槳為研究對象。在穩態計算中，采用SST 湍流模型。瞬態計算采用大渦模擬(LES)湍流模型，計算不同工況下螺旋槳的水動力性能。所得流場結果與文獻中的試驗數據誤差在5%以內。聲學計算采用聲學商業軟件ACTRAN中的Lighthill聲類比方法計算螺旋槳在進速系數J=0.833時的非空化噪聲，所得聲場結果與文獻中的試驗數據誤差在10dB以內。
Research Methods
研究方法
01
槳葉模型
根據獲得的DTMB P4119螺旋槳的型值表，進行幾何建模。螺旋槳直徑為0.3048米，葉片數為3。完成標準尺寸的螺旋槳建模后，以螺旋槳中心為基準點，按比例縮小，縮放因子為0.657894。縮放后的直徑為D=0.2米。縮小比例的螺旋槳的主要特征如表1所示。
02
流體動力學模型
如圖1所示在螺旋槳周圍創建三個流體域，即螺旋槳周圍均勻包裹小流體域，中間流體域及最外層流體域。螺旋槳周圍均勻包裹小流體域為旋轉域，包裹住螺旋槳。中間流體域（Mid region）為靜止域專為Actran計算時數據提取。采用速度進口邊界（velocity inlet）模擬流體的流動，流體流動方向垂直于進口表面。螺旋槳表面被設定為無滑移邊界（wall），而計算域的外圓柱面被設定為對稱邊界（symmetry）。流體出口被設定為壓力出口邊界（pressure outlet），不同區域之間的交界面設定為Interface邊界，如下圖2示。
展開 如何使用 CFD 解決泵和螺旋槳設計中的氣蝕問題
您想嘗試 Fidelity CFD 并發現它對您的設計的潛力嗎？
文章來源：cadence博客
一種變軸螺旋槳水空跨域無人航行器設計和控制技術
本無人航行器設計在海上空中執行任務時，應具有較遠的航程和較快的飛行速度能力。為此，我們設計了前空氣螺旋槳軸線可傾轉的功能（圖7）。在一定的飛行高度時，將前空氣螺旋槳軸線從斜角度傾轉到水平角度，實現像普通固定翼無人機一樣作快速飛行。由于螺旋槳前傾過程中，螺旋槳的垂直升力會迅速下降，如何穩定實現傾轉螺旋槳的整個無人機空中飛行是關鍵。
4.1 可傾轉螺旋槳無人機的受力分析與運動建模
已升空的無人航行器不再受到水的浮力和阻力，可折疊水槳也收起，全部受到空氣動力的作用，實際已成為一架無人飛行器。本無人飛行器與常規固定翼飛行器一樣，除了設計有平尾及升降舵、垂尾及方向舵外，還設計有機翼后緣左右各一個副翼，起橫向控制作用。不同的是，本無人機設計有三個空氣螺旋槳，前兩個螺旋槳可以傾轉。設三個螺旋槳拉力分別為T1，T2，T3，前螺旋槳向前傾轉角度為φ；飛行器氣動升力為L,氣動阻力為D；則整個無人機受力為
整個無人機對重心的受力矩為
式中：（X1,Y1），（X2,Y2），（X3,Y3）分別表示三個螺旋槳旋轉中心相對于無人機重心的坐標。
如圖12所示，無人機的螺旋槳傾轉過渡過程主要是在傾轉螺旋槳無人機的縱向對稱平面內完成[4]。因此過渡運動特征分析可以忽略無人機的橫航向運動，通過將6 自由運動模型中所有的橫航向變量置零，可以得到簡化的 3 自由度運動模型如下。
圖12 無人飛行器傾轉過渡狀態的受力示意圖
Fig.12 Schematic diagram of force in the transition state of UAV tilting
式中：上標“1”表示機體坐標系；q 為對機體坐標系y 軸的角速度；IY 是對y 軸的轉動慣量。
展開 電磁仿真大顯身手，優化螺旋天線設計
縫隙螺旋天線擁有多功能性和寬帶頻率響應特性，因此被廣泛用于無線通信、傳感、定位、跟蹤及許多不同微波頻段的應用。為了優化縫隙螺旋天線的設計，工程師們可以利用電磁分析來精確計算諸如 S 參數和遠場模式之類的特性。
縫隙螺旋天線的優點
縫隙螺旋天線擁有以下優點：
近乎理想的圓偏振輻射
寬帶頻率響應
輻射方向圖和阻抗能夠在大帶寬范圍內保持不變
此外，縫隙螺旋天線設計易共形，可安裝在各種物體上。這對于國防等工業是一個實用特征，安裝在軍用車輛和飛機的縫隙螺旋天線可以發揮通信和監視功能。
螺旋天線實例。圖片由 Bin im Garten 拍攝，已獲 CC BY-SA 3.0 授權，通過 Wikimedia Commons共享。
螺旋天線有很多種，最常見的是阿基米德螺旋天線。在本文，我們將討論利用 COMSOL Multiphysics? 軟件及其附加的“RF 模塊”對此類天線進行模擬。
借助 COMSOL Multiphysics? 評估縫隙螺旋天線的設計
作為第一步，我們將討論如何繪制由兩條阿基米德螺旋線狀狹縫構成的縫隙螺旋天線的幾何。我們采用參數化曲線，在單面的金屬基底上制作出一個螺旋圖案。參數化曲線使得我們能夠利用數學公式繪制任意形狀的曲線。基底是一個完美電導體（perfect electric conductor，簡稱 PEC），具有很高的導電性，表面的損耗可忽略不計。螺旋狹縫的中心是集總端口，作用是激勵天線。
縫隙螺旋天線的幾何結構（上圖）和網格（下圖）。
天線和基底被空氣區域和完美匹配層（perfectly matched layer，簡稱 PML）包圍，PML 為上圖灰色部分。右圖的物理場控制的網格由軟件默認生成。
展開 
關于螺旋輸送機的設計優化與應用實踐
螺旋輸送機又稱攪龍，是一種不帶撓性牽引件的連續性高效運輸設備，其工作原理是利用旋轉葉片推動物料前移從而實現物料運輸。由于螺旋輸送機結構簡單，操作易捷，占地而積小，且能實現任何角度的物料輸送，故其廣泛應用于煤炭、焦化、冶金、化工、食品加工等生產領域。螺旋輸送機往往在加工、運輸設備中起到承前啟后的作用，即其在生產中起到中間運輸環節作用，故螺旋輸送機運行一旦出現問題便會造成整個加工、運輸系統出現問題甚至造成系統停滯。考慮到螺旋輸送機所處環境往往存在濕氣大、粉塵多等特點，且部分螺旋輸送機設計不盡合理，在運行過程中經常會出現故障導致停機。這些問題的存在一方而降低t螺旋輸送機運輸效率和使用壽命，另一方而也會給企業造成一定的經濟損失，故對螺旋輸送機進行優化設計改造顯得尤為重要。
1螺旋輸送機結構組成及工作原理
螺旋輸送機根據布置不同可分為水平螺旋輸送機和垂直螺旋輸送機。水平螺旋輸送機主要由螺旋軸、料槽、中間軸承、葉片、末端軸承、首端軸承、中間裝載口、中間卸料口、末端卸料口、驅動裝置等部分組成，這些部件通過焊接、法蘭式或穿軸式中間連軸形成一體，除了料口和驅動裝置等，其余部件全部安裝在封閉的料槽內;驅動裝置作用于螺旋軸使其旋轉，經進料口進入到料槽內的物料在焊接在螺旋軸上的葉片的推動作用下前移并在出料口進行卸載。垂直螺旋輸送機結構與水平螺旋輸送機近似，其工作原理是物料在螺旋離心力作用下向葉片邊緣移動進而壓在輸送管壁上，這樣增加了物料與管壁的摩擦力，該摩擦力迫使物料旋轉速度低于葉片旋轉速度，在葉片的推動作用下從而實現物料上升，最后經卸料口卸載。總的來說，無論何種螺旋輸送機最終是依靠葉片的推動實現物料運輸的。
展開 螺旋管簧的可靠性優化設計
螺旋管簧的可靠性優化設計
仿真案例｜懸架螺旋彈簧自動化設計和優化
因此，可以確保優化算法主要滿足所有約束條件。
對于標準化到容許區間的目標散射值C，約束條件可以定義如下：
對于作為懲罰項的替代定義，這將導致：
圖5：內外設計空間限值（左）和設計限值和螺旋彈簧截面（右）
基于STLs進行設計空間驗證。這里需要獨立的內部和外部設計空間（見圖5）。通過變形螺旋彈簧和設計空間STLs生成多個截面。每個截面基于STLs形成兩個曲面。確定每個軸向彈簧截面到各自切割面的最小距離。如果軸向彈簧截面在切割面外，則最小距離為負值，這與要求符合空間距離≥0相矛盾。螺旋彈簧的前半圈和后半圈通常不進行設計空間內驗證。最小距離為負值的表面，與要符合空間距離≥0的要求相矛盾。螺旋彈簧的第一半圈和最后半圈通常不在設計空間驗證范圍之內。
07 結果與結論
圖6為采用optiSLang螺旋彈簧自動化設計的示例結果。
將解析了預尺寸分析的圓柱螺旋彈簧作為初始設計。在運行完4000種變化之后，就可以確定最終的優化設計了。必須指出的是，目標函數一直在穩步快速改進。這是因為在目標函數中使用了約束條件作為懲罰項，并且應用于所有先前用optiSLang分析的所有螺旋彈簧設計。通常在嘗試4000到6000個設計方案后優化設計完成。
圖7：不同壓縮狀態下的剪應力曲線（左）和貫穿點（右）
圖7為最終設計的選定結果。左側為所考慮的線圈區域在不同壓縮狀態下的剪應力曲線。紅色的剪應力曲線對應最大撓度，并按要求進行了充分的平滑處理。
可以在右側按比例縮放的詳細視圖中看到貫穿點。壓縮步驟2所需的貫穿點位于給定公差范圍內。綜上所述，使用optiSLang進行自動化設計是非常可行的。自動化工程程序不僅以高質量結果讓人信服，而且還提供了有意義的結果，這是人工設計所難以達到的。
展開 中國巨型螺旋槳問世：0噸巨葉應用領域揭曉！
“中國巨型螺旋槳問世：0噸巨葉應用領域揭曉！”這是一項令全球航空領域為之震撼的重大突破。隨著科技的不斷進步，人類對于飛行器的需求也日益增長，而螺旋槳作為飛行器重要的動力源之一，其性能的提升一直是研究者們追求的目標。
中國的科學家們，憑借著堅韌不拔的精神和無與倫比的創新力，終于在巨型風力發電領域取得了突破性的進展。這種體積龐大、重達數噸的巨型螺旋槳，正憑借其獨特的設計和巨大的推力，被運用于各個領域，不僅改變了飛行器的性能表現，還為生態環保提供了新的解決方案。
中國巨型螺旋槳的突破：制造技術與性能優勢
中國在巨型螺旋槳制造技術方面實現了重要突破。通過引進先進的制造設備和工藝，中國螺旋槳企業在制造工藝、模具設計和材料選擇等方面進行了全面升級。特別是在模具設計方面，中國企業采用了CAD/CAM技術，實現了數字化的設計和加工，大大提高了制造效率和產品質量。
中國螺旋槳企業在材料選擇上也進行了大膽嘗試，使用了高強度、耐磨、耐腐蝕的特種材料，使巨型螺旋槳的使用壽命和性能大幅提升。
中國巨型螺旋槳在性能方面具有明顯優勢。一方面，中國巨型螺旋槳的尺寸更大，能夠適應更廣泛的使用需求。從小型風力發電機到大型船舶，中國螺旋槳企業都可以根據客戶需求定制更大尺寸的巨型螺旋槳，滿足各個行業的要求。
另一方面，中國巨型螺旋槳的運行效率和節能性也大幅提升。通過對設計和制造工藝的不斷優化，中國企業實現了巨型螺旋槳的動力輸出更為高效和穩定，減少了不必要的能源浪費。
中國巨型螺旋槳還具備良好的可靠性和安全性。中國螺旋槳企業在制造過程中注重質量控制，嚴格按照國際標準進行檢測和認證，確保產品的可靠性。
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