采用复合材料螺旋桨作为推进系统，已经广泛应用于航天、航空和航海等领域。为了充分发挥复合材料的优点，提高复合材料螺旋桨性能，必须对其进行结构优化设计。复合材料的比强度和比刚度高，并且强度和刚度可以“剪裁”设计。

与传统的金属螺旋桨相比，复合材料螺旋桨需要考虑铺层层数与铺层顺序，其设计变量成几十倍增加，使计算规模非常庞大。与普通的复合材料层合板结构相比，螺旋桨结构外形复杂，为了比较精确的计算出关键部位翼型桨距角的扭转变形，必须细化网格，也将不可避免地造成计算规模的增加。为此，必须研究高效的复合材料螺旋桨建模方法，在不影响优化效果的同时，尽可能地减少设计变量地个数，缩小优化空间，提高优化效率，使优化时间能够被工程接受。

目前，国内外学者对复合材料结构优化方法进行了大量的研究。唐文艳等对复合材料层合板铺层角度进行优化，并对遗传算法进行改进，将经过交叉与变异后的子种群与父代种群形成一个扩展种群，按照适应度由大到小排序，选择出新种群；J.Kim等针对厚度递减的复合材料结构提出了分片优化方法，分片优化方法与遗传算法结合，形成了复合材料结构优化的专家系统；张彦考等应用区域划分技术，分别在各区域内进行两级优化设计，第一级对结构铺层角度进行优化，第二级对结构铺层厚度进行优化。但是对于复合材料螺旋桨的结构优化，研究不多。

笔者从复合材料螺旋桨结构特点出发，建立了一种高效优化模型，采用改进的遗传算法和加速策略，对复合材料螺旋桨进行结构优化，得到了最优铺层层数和铺层顺序，减重效果明显。本方法计算时间短，搜索效率高，具有工程应用价值。

采用MSC.PATRAN对复合材料螺旋桨建立有限元模型，共有16244个单元。蒙皮根部的铺层顺序为［011/蜂窝/0］T，梁根部的铺层顺序为［06/蜂窝/06］T。初步设计方案的重量11.36kg，固有频率6.2Hz.此方案的重量超标，严重影响螺旋桨的经济效益，固有频率太小，在工作时可能发生共振。因此，必须对复合材料螺旋桨进行结构优化设计，减小重量，增大固有频率。

2复合材料螺旋桨优化模型2.1设计变量提炼准则（1）考虑复合材料螺旋桨结构特点复合材料螺旋桨结构是典型的削层结构，根部厚而尖部薄。这种结构不仅节约了材料，而且减轻螺旋桨重量，增加有效载荷，更重要的是削层结构设计是刚度剪裁设计的有效途径。因此，复合材料螺旋桨结构设计必须抓住削层的特点，即最大厚度就是根部的厚度，从而缩小设计变量取值范围，提高优化效率。

（2）复合材料加工工艺从加工工艺来说，一般只采用0°、±45°和90°等4种铺层，并且同一铺向角的单层不宜过多集中在一起，尽量不要超过4层，这样可以减少层间应力。

在复合材料螺旋桨优化时，采用碳布作为主承力材料。碳布是径向和纬向碳纤维按1∶1的比例铺设，高温固化而成的预浸料，单层厚度相同，因此对厚度的优化也就是对层数的优化。铺设时，只有0°和45°两种铺向角，并且保证了同一铺向角不会过多集中在一起。

（3）纤维连续性原则从复合材料纤维特点考虑，应尽可能使每一铺层采用同样的铺向角，保证纤维的连续性，这样既有利于节约加工制造成本，又有利于结构受力，减少应力集中。因此，薄区域的铺层顺序由相邻较厚区域的铺层顺序决定，只要优化最厚区域的铺层顺序，就能够确定所有区域的铺层顺序，大幅减少设计变量个数。

对于复合材料螺旋桨，如果采用文献［3］的方法，将每个单元的铺层层数和铺层顺序都当成设计变量，将会成千上万。而采用以上3个准则进行提炼，设计变量将大幅减少，最多不超过100，显著提高搜索效率。

2.2优化模型将螺旋桨从根部到尖部划分为R个区域，对每个区域取相同的厚度和铺向角，分别在每个区域进行优化设计。优化的数学模型为minWs.t.3≤hi≤hi－1（i=2，3，…，R）3≤hbi≤hbi－1（i=2，3，…，R）f≥6.9s≤3000θ≤0.4式中：W是复合材料螺旋桨重量；hi是第i个区域蒙皮的层数；hbi是第i个区域梁的层数；f，s和θ分别表示螺旋桨的固有频率、最大应变和12个典型剖面桨距角最大扭转变形。

螺旋桨结构区域划分图区域数目R=12时，复合材料螺旋桨结构如图2所示。桨根蒙皮层数h1=13，桨根处梁的层数hb1=13，按照上述准则提炼设计变量，仅有50个，优化模型的设计变量如所示。

3遗传算法的改进及加速策略当前，主要采用遗传算法对复合材料螺旋桨进行结构优化。遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应、全局优化、概率搜索算法，能在解空间中依概率搜索到全局最优解。遗传算法通常采用二进制编码，轮盘赌选择策略，搜索效率较低，笔者首先对遗传算法进行改进，然后提出了加速策略，减少计算时间，提高搜索效率。

3.1整数编码对于离散变量问题，二进制编码存在以下不足：首先，二进制编码串的长度与变量的可选离散值有关。当离散值个数与二进制所能表示的离散值个数不能一一对应时，往往是从离散值列表中选值进行补充，这样某些离散值就有不同的二进制编码表示。

其次，在求解高维优化问题时，二进制编码串很长，严重降低遗传算子的搜索效率。整数编码方式可以解决问题，编码的长度就是设计变量个数，离散变量值和编码表示能够一一对应，并且节省了二进制向整数的转换过程，提高了搜索效率。笔者采用整数编码方式，0代表0°，1代表45°。

3.2选择策略选择策略对算法性能的影响会起到举足轻重的作用。以前，仅从子代种群中选择产生新个体，导致父代个体过早“死亡”，新群体的多样性迅速下降。

本文中，将经过交叉和变异后产生的子代群体和父代群体形成一个扩展种群，采用锦标赛选择方法从扩展种群中选择新个体，这样就延长了父代个体的寿命，使有利的基因有更多的机会遗传到下一代。

锦标赛选择算法：随机地在群体中选择两个个体进行比较，当两个个体都满足约束时，重量小的为优秀个体；当一个满足约束，另一个不满足约束时，满足约束的为优秀个体；当两个都不满足约束时，违反约束程度小的为优秀个体，优秀个体将被选择进入下一代。锦标赛选择的特点是适应度好的个体具有较大的“生存”机会。同时，它只使用适应度的相对值作为选择标准，而与适应度的数值大小不成比例，从而能避免超级个体的影响，避免过早收敛和停滞现象。

3.3加速策略遗传算法的优点是采用随机方法进行最优解搜索，能够搜索到全局最优解，但是搜索的随机性带来计算量的增大。笔者为了加速搜索速度，采用如下改进方法：（1）计算过程中直接调用NASTRAN进行计算，解码后直接修改bdf文件，避免了PATRAN调用NASTRAN的时间消耗，计算速度从3min减少到1min.

（2）采用多线程技术。本文中，要用C  调用两次NASTRAN分别进行静力计算和模态计算。在C  中，通过函数createthread产生一个线程，从而应用多线程，同时进行静力和模态计算，计算速度提高一倍。

4复合材料螺旋桨优化及结果分析采用笔者的优化模型及高效优化方法对复合材料螺旋桨铺层层数和铺层顺序进行优化，演化代数30，种群规模30，交叉概率0.7，变异概率0.1.优化后的最优铺层顺序如表2所示，蒙皮主要承弯，根部区域蒙皮的0°铺层较多；而梁主要承扭，根部区域梁的45°铺层较多。

曲线如所示，优化后最终重量为7.73kg，相对于初始重量11.36kg减少了32.优化前后，螺旋桨12个剖面桨距角扭转变形的对比如所示，优化后扭转变形大幅度减小，并且全部满足约束条件。螺旋桨应变由1320μξ减小到587μξ，如所示。固有频率由6.2Hz增大到8.08Hz，增大了30.

5结论（1）针对复合材料螺旋桨结构，结合纤维连续性原则和加工工艺，建立了削层优化模型，使设计变量减少到50个，提高搜索效率。

（2）对传统的遗传算法进行改进。采用整数编码，使离散变量与编码一一对应，并且缩短了编码串长度；从子代与父代形成的扩展种群中，采用锦标赛选择新个体，沿长了父代寿命，提高了基因多样性。

（3）采用加速策略提高计算速度，计算时间减少了6倍。直接调用NASTRAN计算，解码后修改bdf文件，计算速度从3min减少到1min.采用多线程技术，又使计算速度提高一倍。

（4）以重量为目标，强度刚度条件为约束进行结构优化，优化后减重32，固有频率提高30.