複合材料螺槳之最佳化設計(3/3)
Date Issued
2004
Date
2004
Author(s)
李雅榮
DOI
922611E002019
Abstract
FRP（Fiber Reinforced Plastic）複合材料因質量輕、強度高、耐腐蝕等優點，近年來廣泛
應用於各種結構中。而FRP 複合材料另一個特點在於材料的方向性，透過纖維方向的安排可
以加強結構特定方向的強度，進而可以控制結構的變形。本計畫利用FRP 特有的彎曲扭轉偶
合效應，設計一個具有自動微調螺距功能的智慧型螺槳。此螺槳在設計速度下可以維持原始
設計性能，而在軸向速度變低時，螺距則會自動變小，使螺槳角度更接近入流角。
由於FRP 的疊層角度與順序是多個離散變數的組合，難以用一般最佳化方法搜尋最佳
解。基因演算法是一種新興的最佳化方法，特別適合多變數、離散變數等難以用傳統方法最
佳化的問題，因此很適合作為FRP 結構最佳化的搜尋工具。然而基因演算法的最大問題在於
計算量龐大，每次最佳化搜尋需要針對不同變數做數千次的計算，如何提升搜尋效率也是最
佳化設計中的重要課題。
本計畫以反應表面法結合基因演算法，首先以回歸分析得到反應表面，亦即設計變數與
最終反應值之間的關係。然後以反應表面的函數取代原來費時的計算，節省了大量的計算時
間。另外，為了提高搜尋準確度，在基因演算法中加入局部搜尋，以局部的反應表面取代原
來的計算，既可提高準確度，又不會增加太多的計算量，成功使搜尋計算量降低到原來的一
半以下。此一改良法不僅適用於本計畫，也可應用在其他FRP 疊層最佳化問題上，使FRP 結
構最佳化更為容易。
本計畫整合流力與結構計算，以得到變形後的螺槳性能，然後以改良式基因演算法尋找
最佳的疊層角度與順序，使螺槳達到自動調整螺距的目的。然而本計劃發現，僅調整疊層角
度順序無法達到此一目的，必須配合調整螺槳外型，因此提出預變形螺槳，配合疊層角度的
選擇，完成智慧型螺槳的設計。最後進行FRP 螺槳性能實驗，以碳纖維複合材料製作螺槳，
在空蝕水槽中運轉以量測推力、扭力等螺槳性能，並以攝影的方式觀測螺葉在軸向的變形量。
實驗結果發現疊層對螺槳性能與變形的影響與模擬計算的趨勢相吻合，在軸向速度較小的情
況下螺距也跟著變小，使其扭力變化比金屬螺槳更小，而使螺槳能夠運作在更穩定的狀態下。
Publisher
臺北市：國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系暨研究所
Type
report
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