CN113371171A - 一种自适应偏转前缘的变形舵叶及偏转方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应偏转前缘的变形舵叶及其偏转方法，该变形舵叶包括舵叶主体和偏转装置，舵叶主体包括第一侧壁、第二侧壁和前缘壁，第一侧壁和第二侧壁相交形成尾缘棱，前缘壁的两端分别与第一侧壁和第二侧壁远离尾缘棱的一端连接，偏转装置设置于前缘壁远离尾缘棱的一侧，用于改变舵叶的前缘偏转角度，偏转装置包括若干舵层偏转组件，若干偏转组件沿尾缘棱的长度方向间隔分布在前缘壁远离尾缘棱的一侧。本发明提供的自适应偏转前缘的变形舵叶及其偏转方法，在复杂的水体下，若干层偏转组件能够根据水体垂向不同高度的实际入流角与入流速度大小灵活改变偏转角度，实现舵叶前缘能够在复杂且不均匀的螺旋桨后尾流场环境中产生较好的水动力性能。

Description

一种自适应偏转前缘的变形舵叶及偏转方法

技术领域

本发明涉及船舵技术领域，尤其涉及一种自适应偏转前缘的变形舵叶及偏转方法。

背景技术

船舶的操纵往往通过操舵来实现，船舵是一种用于操纵和控制船舶航向的装置，其一般安装于船舶的尾部，又称为船尾舵。而舵叶则是产生舵作用力的本体，通过舵叶面转过一定舵角后产生的升力形成船舶的转向力矩。舵叶的升力大小决定了船舶操纵性的优劣。

现有的大部分舵叶安装在螺旋桨后，由于螺旋桨后的旋转尾流场非常复杂且不均匀使得舵叶沿垂向不同高度的实际入流角及入流速度大小往往是不同的，造成传统平板舵沿着垂向高度升阻比不均匀且不一致，往往不能达到最佳的水动力效果；在直航运动时，0度舵角下传统平板舵依然会产生较小的横向力，需要频繁小幅操舵才能保持直航；在操纵运动时，固定舵角下部分舵叶，实际入射攻角较小舵效不佳，而部分舵叶实际攻角超过失速角，产生失速。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种自适应偏转前缘的变形舵叶及偏转方法，用以解决现有技术中舵叶在复杂且不均匀的螺旋桨后尾流场环境中流场利用不充分的问题，提升船舶直航稳定性和操纵性能。

本发明提供一种自适应偏转前缘的变形舵叶，包括舵叶主体和偏转装置，所述舵叶主体包括第一侧壁、第二侧壁和前缘壁，所述第一侧壁和所述第二侧壁相交形成尾缘棱，所述前缘壁的两端分别与所述第一侧壁和第二侧壁远离所述尾缘棱的一端连接，所述偏转装置设置于所述前缘壁远离所述尾缘棱的一侧，用于改变舵叶的前缘偏转角度，所述偏转装置包括若干舵层偏转组件，若干所述舵层偏转组件沿所述尾缘棱的长度方向间隔分布在所述前缘壁远离所述尾缘棱的一侧。

进一步的，若干所述舵层偏转组件沿所述尾缘棱的长度方向间隔均匀的分布在所述前缘壁远离所述尾缘棱的一侧。

进一步的，所述舵层偏转组件包括至少两个偏转骨架和至少两个驱动装置，至少两个所述偏转骨架依次可转动的连接形成偏转骨架链，所述偏转骨架链靠近所述前缘壁的一端连接于所述前缘壁远离所述尾缘棱的一侧，所述驱动装置与所述偏转骨架一一对应设置，用于驱动所述偏转骨架链中的任一所述偏转骨架的转动。

进一步的，所述自适应偏转前缘的变形舵叶还包括柔性蒙皮，所述柔性蒙皮滑动覆盖于所述偏转装置的外表面。

进一步的，每一所述偏转骨架靠近所述柔性蒙皮的一侧开设有滑槽，所述柔性蒙皮与每一所述滑槽对应的位置设置有滑动铰，所述滑动铰与所述滑槽配合滑动。

进一步的，所述自适应偏转前缘的变形舵叶还包括两块密封板，两块所述密封板分别与所述第一侧壁和第二侧壁垂直于所述尾缘棱长度方向的两侧密封连接。

进一步的，所述自适应偏转前缘的变形舵叶还包括至少两个传感器，每一所述传感器与所述偏转骨架一一对应设置，用于实时测量偏转角度。

本发明还提供了变形舵叶前缘的偏转方法，包括采集不同螺旋桨进速系数以及不同高度下的舵层的入流角，建立第一样本点；获取当前船舶航行的航速、螺旋桨转速以及舵角，并根据换算公式计算此时的螺旋桨进速系数，并以所述第一样本点为基础做插值处理，获得不同高度下舵层的入流角及入流速度大小，其中，螺旋桨进速系数表示航速与螺旋桨转速与螺旋桨盘面直径的比值；根据所述流场速度为限制条件，以水动力参数的取值为目标，采用优化算法确定不同高度下舵层的最佳前缘偏转角，其中，水动力参数包括舵层受到的升力和阻力；不同舵层的偏转组件根据所述最佳前缘偏转角控制各自舵层进行前缘偏转。

进一步的，所采用优化算法确定不同高度下舵层的最佳前缘偏转角，具体包括设计可行范围内的前缘偏转角、入流速度大小和实际攻角的设计样本点变量集；以所述设计样本点变量集为输入，计算确定所述设计样本点变量集对应的升力和阻力集合；以所述设计样本点变量集和所述升力和阻力集合作为第二样本点建立至少一个近似模型，所述近似模型以前缘偏转角、入流速度大小和实际攻角为输入，升力和阻力为输出；通过所述近似模型确定所述升力和阻力，用于所述优化算法。

进一步的，所述水动力参数为目标，具体包括船舶以0°舵角航行时，以升力为零为目标；船舶以非零度舵角运动时，以最大升阻比为目标，其中，升阻比为舵层受到的升力和阻力的比值。

进一步的，所述不同舵层的偏转组件根据所述最佳前缘偏转角控制各自舵层进行前缘偏转，具体包括根据最佳前缘偏转角确定每一个偏转组件的偏转角度，根据所述偏转角度得出驱动装置的伸缩长度；驱动装置根据各自的伸缩长度驱动当前舵层进行偏转。

本发明所采用的自适应偏转前缘的变形舵叶，与现有技术相比，通过在舵叶前缘沿尾缘棱的长度方向设置若干层角度可发生偏转的舵层偏转组件，遇到复杂的水体情况时，各舵层偏转组件能够根据水体垂向不同高度的实际入流角和入流速度大小，灵活改变偏转角度，实现舵叶前缘能够在不同工况下，都产生较好的水动力性能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。

附图说明

图1为本发明提供的自适应偏转前缘的变形舵叶第一实施例的结构示意图；

图2为本发明第一实施例中的一舵层偏转组件结构示意图；

图3为本发明提供的变形舵叶前缘的偏转方法一实施方式的流程图；

图4为本发明提供的0°舵角下不同进速系数J下各舵层前缘流场的入流角的示意图；

图5为本发明实施例直航状态下前缘入流速度插值结果与实际流场对比图；

图6为本发明实施例自适应偏转前缘的变形舵叶变形后与原始形状对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

如图1和图2所示，本发明实施例提供的自适应偏转前缘的变形舵叶，包括舵叶主体1和偏转装置2，所述舵叶主体1包括第一侧壁11、第二侧壁12和前缘壁13，所述第一侧壁11和所述第二侧壁12相交形成尾缘棱14，所述前缘壁13的两端分别与所述第一侧壁11和第二侧壁12远离所述尾缘棱14的一端连接，所述偏转装置2设置于所述前缘壁13远离所述尾缘棱14的一侧，用于改变舵叶的前缘偏转角度，所述偏转装置2包括若干舵层偏转组件20，若干所述舵层偏转组件20沿所述尾缘棱14的长度方向间隔均匀的分布在所述前缘壁13远离所述尾缘棱14的一侧。

需要特别说明的是，在本实施例中，舵叶主体1为中空的钢材结构，即可以保证舵叶的质量轻又能够保证舵叶具有足够的强度。

具体的，所述舵层偏转组件20包括至少两个偏转骨架21和至少两个驱动装置22，至少两个所述偏转骨架21依次可转动的连接形成偏转骨架链，所述偏转骨架链靠近所述前缘壁13的一端连接于所述前缘壁13远离所述尾缘棱14的一侧，所述驱动装置22与所述偏转骨架21一一对应设置，用于驱动任一所述偏转骨架21的转动。

需要说明的是，在本实施例中，偏转骨架的数目为3个，3个偏转骨架21产生的偏转积累能够达到预定的前缘偏转角度，当然，在其他实施例中，偏转骨架21的个数也可为其他数目。3个偏转骨架21首尾相连形成偏转骨架链，其中，驱动装置22的数目与偏转骨架21的数目一致，在本实施例中，驱动装置22为液压杆组件，每一个偏转骨架21靠近舵叶主体1的一侧均安装有一个液压杆组件22并随着液压杆的伸长或缩短其偏转角度发生相应的变化，可以理解的是，在其他实施例中，驱动机构可为步进电机或齿轮箱等其他类似的能使偏转骨架21之间产生偏转的装置。

为了使舵叶的横剖面对称于中心面，左右对称，保证舵叶左右两侧的水流压力相等，不会产生一附加力矩，影响对舵的操纵，所述偏转骨架链不发生偏转时与所述舵叶主体1的横截面呈对称翼性。

作为优选的实施例，所述自适应偏转前缘的变形舵叶还包括柔性蒙皮3，所述柔性蒙皮3滑动覆盖于所述偏转装置的外表面。为了避免舵叶受到表面粗糙造成的附加力矩的影响，因此，在偏转装置2的外侧面须覆盖柔性蒙皮3，保证了整个舵叶的表面光顺，无局部凹凸。柔性蒙皮3具有一定的柔性，与偏转装置1滑动连接能够保证柔性蒙皮3随着偏转装置1的偏转始终能够贴合偏转装置1，具体的，柔性蒙皮3各处与前缘壁13密封连接，保证了偏转装置的密封性，使之不渗水。

每一所述偏转骨架21靠近所述柔性蒙皮3的一侧开设有滑槽211，所述柔性蒙皮3与每一所述滑槽211对应的位置设置有滑动铰31，所述滑动铰31与所述滑槽211配合滑动。可以理解的是，滑动铰31的位置随着偏转骨架31的角度变化而在滑槽211中发生改变，从而带动柔性蒙皮3的位置也发生变化，从而始终保持与偏转装置1的相对位置不变。

作为优选的实施例，所述自适应偏转前缘的变形舵叶还包括两块密封板4，两块所述密封板4分别与所述第一侧壁11和第二侧壁12垂直于所述尾缘棱14的长度方向的两侧密封连接，通过设置两块密封板4与第一侧壁、第二侧壁以及柔性蒙皮密封连接能够保证变形舵叶的密封性，使之不渗水。

作为优选的实施例，所述自适应偏转前缘的变形舵叶还包括至少两个传感器(未在图中示出)，每一所述传感器与所述偏转骨架21一一对应设置，用于实时测量偏转角度。

相对于现有技术，本发明实施例具有以下效果：通过沿尾缘棱长的方向设置若干舵层偏转骨架链，每一舵层偏转骨架链可根据所在位置的入攻角的的不同调整偏转角度，从而使舵叶能够实现较好的水动力性能，并且提升船舵的操纵性能和直航的稳定性。

实施例二

本实施例提供了一种基于上述变形舵叶前缘的偏转方法，如图3所示，其具体包括：

S101、对入流速度大小、实际攻角和舵层偏转组件前缘偏角α进行设计样本点变量集采集，通过翼面二维CFD计算确定设计样本点变量集对应的舵层水动力参数集合。

具体的，设计可行范围内的前缘偏转角、入流速度大小和实际攻角的设计样本点变量集布置，进行二维翼形CFD计算，其中CFD为计算流体力学，需要说明的是，舵层分划要足够薄，保证同一舵层垂向高度内X-Y平面入流角和入流速度大小几乎不变，即可以二维CFD计算结果评估舵层水动力性能，同时舵层不应为无限薄厚度，其厚度需保证能安装结构驱动装置。随即获得与设计样本点变量集对应的升力和阻力集合，然后，建立近似模型，近似模型根据上述设计样本点变量集与升力和阻力集合建立，输入为前缘偏转角α、入流速度大小V、实际攻角β，输出为升力和阻力。

具体的，在本实施例中，近似模型采用的是克里金近似模型，可以理解的是，还可以为多项式、RBF神经网络等其他近似模型。

S102、以S101中得到设计样本点变量集与对应的水动力参数集合建立第二样本点，以第二样本点生成至少一个近似模型，其中，近似模型以前缘偏转角、入流速度大小和实际攻角为输入，水动力参数为输出。

S103、采集不同螺旋桨进速系数、舵角下不同高度舵层的入流角与入流速度，及其对应的舵叶前缘流场参数建立第一样本点，其中，此时舵为初始状态，即所有舵层的前缘偏转角度为0°。

具体的，设计舵角γ、螺旋桨进速系数J为变量，对不同变量情况下的螺旋桨后舵前缘位置处流场对流场X-Y平面速度的入流角和入流速度进行采样，得到流场样本即第一样本点，本案例采用均匀采样方式(也可以采取拉丁方、随机采样等其他采样方式)，具体的，X-Y平面为以船舶尾柱与基平面交点为坐标原点建立的直角坐标系的X-Y平面，其中X正向指向船艏，Y正向指向左舷，Z正向指向甲板。具体的，入流角指入流速度方向与-X方向坐标系夹角。

S104、获取当前船舶航行的航速、螺旋桨转速以及舵角，并根据换算公式计算此时的进速系数，并以所述第一样本点为基础对进速系数与舵角做插值处理，获得当前航行工况下不同高度下舵层的流场速度，其中流场速度表示入流角与入流速度，其中，进速系数表示航速与螺旋桨转速的比值；

具体的，根据

计算当前螺旋桨进速系数，其中，V_p表示螺旋桨进速且与航速U相关，n表示螺旋桨转速，D表示螺旋桨盘面直径。

S105、根据所述流场速度为限制条件，水动力参数为目标，采用基于近似模型的优化算法确定不同高度下舵层的最佳前缘偏转角，其中，水动力参数包括舵层受到的升力和阻力。

S106、不同舵层的偏转组件根据所述最佳前缘偏转角控制各自舵层进行前缘偏转。

作为优选实施例，所述水动力参数为目标，具体包括船舶以0°舵角航行时，所述水动力参数目标为升力；船舶以非零度舵角运动时，所述水动力参数目标为最大升阻比，其中，升阻比为舵层受到的升力和阻力的比值。

需要说明的是，操纵运动时，船舶在航行中遇到特殊的环境，如紧急避险或港区操纵运动时，优化算法的目标为最大升力。

而作为具体方式，本实施例以0°舵角为例，可以选用某集装箱船及其配套桨舵作为研究对象，取其最常见工况自航直航进行举例。预先对入流场流场变量：入流速度大小(10m/s～20m/s)、实际攻角(-80°～80°)和舵层偏转组件前缘偏角α(-45°～45°)采用拉丁方实验样本设计方法建立设计样本点变量集，取300个样本点，采用CFD程序进行各设计样本点变量下的升力计算，获取300组升力集合，结合设计样本点变量集、升力集合生成克里金近似模型，用于后续优化算法中升力的快速计算。

该集装箱船直线自航时航速U_p＝24kn≈12.346m/s，螺旋桨转速度nr＝400rpm及舵角γr＝0°，此时Jr＝0.711，预先以均匀采样的方式采集的对应螺旋桨不同进速系数下，0°舵角下不同高度舵层前缘处的入流角和入流速度大小作为第一样本点，如图4所示，为0度舵角(直航)状态下，不同进速系数下舵层高度与X-Y平面速度角度即入流角θ的关系图。对此工况下的进速系数Jr＝0.711进行拉格朗日多项式插值方式计算此时流场入流角和入流速度，如图5所示，为该工况下舵前缘入流速度插值得出结果与实际流场对比，可见差别较小。

其中L(x)为插值点x处函数值，x_i，j为采样点坐标与y_i，j为采样点速度读数(入流角、入流速度)。

在获得舵前缘流场速度后，对每一舵层进行单独优化计算，采用粒子群算法进行优化，此时舵角为0°，即船舶处于直航状态，舵的最优水动力参数目标应为升力为零，所以优化目标为升力为零。在通过插值确定舵前缘的入流角度和速度后，优化过程中入流速度、实际攻角两个变量被确定下来作为限制条件；前缘偏转角α作为变量。经过20个粒子50次迭代优化后获得最佳前缘偏转角。

作为优选的实施例，所述不同舵层的偏转组件根据所述最佳前缘偏转角控制各自舵层进行前缘偏转，根据最佳前缘偏转角确定每一个偏转组件的偏转角度，根据所述偏转角度得出驱动装置的伸缩长度。具体包括：以最低处(Z＝0)舵层为例，计算得出最佳前缘偏转角αbest为-3度，获得两驱动杆驱动长度ΔT₁与ΔT₂根据实施例一结构几何关系各偏转组件偏转角度求解如下：

其中B₂,B₃表示驱动组件上驱动点到转轴的距离

其中R表示驱动比，为不同驱动组件旋转角度的比值，此处R以偏转角度的正弦函数定义，也可用其他函数或常数定义。

驱动装置根据各自的伸缩长度驱动当前舵层进行偏转。作为具体的方式，举例所用某集装箱船配套舵在直线自航情况下舵前缘自适应变形如图5所示。

在短暂工作周期或外界环境改变后，重复S104～S106更新最佳几何外形，以达到舵前缘几何外形即时的最优。

具体的短暂工作周期指相对于船舶全航段运营时间来说，单次最佳外形保持的周期短暂；外界环境改变例如船舶航速(螺旋桨转速)、舵角等的变化。S101～S102建立近似模型与S103建立第一样本点在不同工作周期中仍可重复使用。

本发明提供的变形舵叶的偏转方法通过插值处理和基于近似模型的优化算法得出最佳偏转角，能够大大提高舵叶的环境适应能力，有效的提高了船舶的操纵性、直航稳定性以及减少一部分航行阻力。

实施例三

本实施例提供了一种自适应偏转前缘的变形舵叶的在直航运动(0°舵角)中的偏转方法，包括如下步骤：

S201、提供实施例1中自适应偏转前缘的变形舵叶。

S202、对入流速度大小、实际攻角和舵层偏转组件前缘偏角α设计样本点变量集，计算确定设计样本点变量集对应的升力集合。

S203、以S202中得到设计样本点变量集与对应的升力集合结合生成近似模型，其中，近似模型以前缘偏转角、入流速度大小和实际攻角为输入，升力为输出。

S204、采集不同进速条件下螺旋桨后流场中所述偏转装置2初始形状下，即舵的前缘偏转角度为0°时，0°舵角在不同高度下的入流角与入流速度大小。

S205、通过采集设备获取船舶航行参数(航速Ur，螺旋桨转速nr)，计算当前螺旋桨进速系数Jr。

其中，采集设备为传感器或航行终端，并且还需要预先设定好螺旋桨的盘面直径D。

S206、根据S202中采集得到的数据对S203中获取的螺旋桨进速系数Jr进行插值处理，获取当前工况下所述偏转装置2在不同高度下的入流角与入流速度大小。

获取直航下舵叶沿尾缘棱长度方向上的不同的入流角与入流速度大小，即反映实时的螺旋桨后尾流场的情况。

S207、在单一舵层分析中，根据S206所得舵层的入流角与入流速度大小为限制条件，以升力为目标，其中，大部分情况下以升力为零为目标；特殊环境下航行时以升阻比绝对值最小为目标，通过基于S203得出近似模型的优化算法确定若干所述舵层偏转组件20的偏转角度，获得航行所需的各舵层最佳前缘偏转角；

S208、根据所述最佳前缘偏转角计算该舵层偏转组件需要转过的角度，并依次计算所述舵层偏转组件偏转对应的角度；

具体的，通过终端反馈的数据与S206所得不同高度下舵前缘的入流角与入流速度，重复S207依次计算每一高度舵层每一个偏转骨架需要偏转的角度，并且计算与每一个偏转骨架对应的液压杆的伸缩长度。

S209、驱动件根据其工作功率依次调节偏转骨架偏转其对应的角度；

具体的，如图6所示，液压杆依次根据其对应的伸缩长度，驱动与之对应的偏转骨架转过相应的角度。

在短暂工作周期或外界环境改变后，重复S204～S209步骤更新最佳几何外形，以达到舵前缘几何外形即时的最优。S202～S203所述近似模型可以在多个工作周期内重复使用。

具体的短暂工作周期指相对于船舶全航段运营时间来说，单次最佳外形保持的周期短暂；外界环境改变例如船舶航速(螺旋桨转速)、舵角等的变化。

本发明提供的变形舵叶在直航(0°舵角)时的偏转方法，根据各舵层实时的入流速度与入流角，通过优化计算，获取航行所需的最佳的偏转角，避免了直航运动中需要频繁操舵，明显提高了船舶的直航稳定性。

实施例四

本实施例提供了自适应偏转前缘的变形舵叶的在操纵运动(非0°舵角)中的偏转方法，包括如下步骤：

S301、提供实施例1中的自适应偏转前缘的变形舵叶；

S302、对流场变量入流速度大小、实际攻角和舵层偏转组件前缘偏角α设计样本点变量集；并计算确定设计样本点变量集对应的升力和阻力集合

S303、以S302中得到的升力和阻力结果与设计样本点变量集结合生成近似模型，其中，近似模型都以前缘偏转角、入流速度大小和实际攻角为输入，近似模型分别以升力和阻力为输出。

其中，在本实施例中，近似模型的数目为两套，在其他实施例中，近似模型的数目可为其他数目，近似模型数目与水动力参数个数相关。

S304、采集螺旋桨后流场中舵叶在初始形状中不同进速系数和舵角下在不同高度的入流角与入流速度；

S305、获取船舶航行参数(航速Ur，螺旋桨转速nr，舵角γr)，并根据公式计算当前螺旋桨进速系数Jr；

其中，采集设备为传感器或航行终端，并且还需要预先设定好螺旋桨的盘面直径D。

S306、根据S304中采集到的数据对当前螺旋桨进速系数Jr与舵角γr进行插值，获取当前工况下的舵前缘在不同高度下的入流速度大小与入流角。

S307、在单一舵层分析中，根据S306所得舵层的入流角与入流速度大小为限制条件，正常航行以时升阻比为目标、特殊环境下航行时以升力为目标，通过基于近似模型的优化算法计算最佳偏转角；

具体的，船舶在操纵运动(非0°舵角)时，正常情况下，升阻比目标为最大升阻比；特殊环境下，升力目标为最大升力。

具体的，升阻比为升力阻力之比，升力与阻力都通过S303所得近似模型计算。

具体的，特殊环境指紧急避险或港区操纵等情况。

S308、根据最佳前沿偏转角计算该舵层工况下各前缘偏转骨架需要转过的角度，并计算与之对应的驱动件所需的驱动功率大小；

具体的，通过终端反馈的数据与S307得出入流角与入流速度，依次计算每一层舵层最佳前缘偏角，并且计算与每一舵层中的偏转骨架对应的液压杆的伸缩长度。

S309、驱动件根据其工作功率依次调节偏转骨架偏转其对应的角度；

具体的，液压杆依次根据其对应的伸缩长度，驱动与之对应的偏转骨架转过相应的角度。

在短暂工作周期或外界环境改变后，重复S304～S309步骤更新最佳几何外形，以达到舵前缘几何外形即时的最优。S302～S303所述近似模型可以在多个工作周期内重复使用。

本发明提供的变形舵叶在非直航运动中的偏转方法，通过近似模型方法得出最佳偏转角，减少了部分航行阻力，提升舵效与船体转艏力矩，有效提高了船舶航行的水动力性能。

为了便于对本申请实施例有更好的理解，以下对本申请实施例的使用过程加以详细叙述：

舵叶通过舵杆或其他组件与船体连接并安装在螺旋桨后，船航行时，螺旋桨后的尾流场情况复杂，舵叶沿垂向方向受到的入流速度大小和入流角不同；通过前期建立的舵前缘流场第一样本点，在实际航行时传感器采集航速Ur，螺旋桨转速nr，舵角γr等参数即可插值得出实际的舵前缘流场；用优化算法计算此时的每一舵层的最佳前缘偏角，其中为了快速得到最佳结果，优化算法中所需的水动力参数(升力和阻力)由近似模型计算得出，由此控制液压组件的杆的伸缩，改变偏转骨架链的偏转角度使之达到最佳的偏转角度，保证舵叶能够产生较好的水动力性能。

相对于现有技术，本发明实施例具有以下效果：通过沿尾缘棱长的方向设置若干舵层偏转骨架链，每一舵层偏转骨架链可根据船舶航行的实际工况变化而产生的入流速度的大小和入流角的变化而调整前缘偏转角度，从而使舵叶能够实现较好的水动力性能，并且提升船舵的操纵性能和直航的稳定性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自适应偏转前缘的变形舵叶，其特征在于，包括：

舵叶主体，所述舵叶主体包括第一侧壁、第二侧壁和前缘壁，所述第一侧壁和所述第二侧壁相交形成尾缘棱，所述前缘壁的两端分别与所述第一侧壁和第二侧壁远离所述尾缘棱的一端连接；以及

偏转装置，所述偏转装置设置于所述前缘壁远离所述尾缘棱的一侧，用于改变舵叶的前缘偏转角度，所述偏转装置包括若干舵层偏转组件，若干所述舵层偏转组件沿所述尾缘棱的长度方向间隔分布在所述前缘壁远离所述尾缘棱的一侧。

2.根据权利要求1所述的自适应偏转前缘的变形舵叶，其特征在于，所述舵层偏转组件包括至少两个偏转骨架和至少两个驱动装置，至少两个所述偏转骨架依次可转动的连接形成偏转骨架链，所述偏转骨架链靠近所述前缘壁的一端连接于所述前缘壁远离所述尾缘棱的一侧，所述驱动装置与所述偏转骨架一一对应设置，用于驱动所述偏转骨架链中的任一所述偏转骨架的转动。

3.根据权利要求1所述的自适应偏转前缘的变形舵叶，其特征在于，还包括柔性蒙皮，所述柔性蒙皮滑动覆盖于所述偏转装置的外表面。

4.根据权利要求2和3所述的自适应偏转前缘的变形舵叶，其特征在于，每一所述偏转骨架靠近所述柔性蒙皮的一侧开设有滑槽，所述柔性蒙皮与每一所述滑槽对应的位置设置有滑动铰，所述滑动铰与所述滑槽配合滑动。

5.根据权利要求1所述的自适应偏转前缘的变形舵叶，其特征在于，还包括两块密封板，两块所述密封板分别与所述第一侧壁和第二侧壁垂直于所述尾缘棱长度方向的两侧密封连接。

6.根据权利要求2所述的自适应偏转前缘的变形舵叶，其特征在于，还包括至少两个传感器，每一所述传感器与所述偏转骨架一一对应设置，用于实时测量偏转角度。

7.一种变形舵叶前缘的偏转方法，其适用于如权利要求1-6任一项所述的自适应偏转前缘的变形舵叶，其特征在于，所述偏转方法包括：

采集不同螺旋桨进速系数、舵角下不同高度的舵层的入流角及入流速度大小，建立第一样本点；

获取当前船舶航行的航速、螺旋桨转速以及舵角，并根据换算公式计算此时的螺旋桨进速系数，并以所述第一样本点为基础做插值处理，获得不同高度下舵层的流场速度，其中，螺旋桨进速系数表示螺旋桨进速与螺旋桨转速与桨盘面直径乘积的比值；

根据所述流场速度为限制条件，以水动力参数的取值为目标，采用优化算法确定不同高度下舵层的最佳前缘偏转角，其中，水动力参数包括舵层受到的升力和阻力；

不同舵层的偏转组件根据所述最佳前缘偏转角控制各自舵层进行前缘偏转。

8.根据权利要求7所述的变形舵叶前缘的偏转方法，其特征在于，所述采用优化算法确定不同高度下舵层的最佳前缘偏转角，具体包括：

设计可行范围内的前缘偏转角、入流速度大小和实际攻角的设计样本点变量集；以所述设计样本点变量集为输入，确定所述设计样本点变量集对应的升力和阻力集合；以所述设计样本点变量集和所述升力和阻力集合作为第二样本点建立至少一个近似模型，所述近似模型以前缘偏转角、入流速度大小和实际攻角为输入，升力或阻力为输出；通过所述近似模型得出不同前缘偏转角、入流速度大小和实际攻角情况下的所述升力和阻力，用于所述优化算法。

9.根据权利要求8所述的变形舵叶前缘的偏转方法，其特征在于，所述水动力参数的取值为目标，具体包括：

船舶以0°舵角航行(直航运动)时，以升力为零为目标；

船舶以非0°舵角运动(操纵运动)时，以最大升阻比为目标，其中，升阻比为舵层受到的升力和阻力的比值。

10.根据权利要求7所述的变形舵叶前缘的偏转方法，其特征在于，所述不同舵层的偏转组件根据所述最佳前缘偏转角控制各自舵层进行前缘偏转，具体包括：

根据最佳前缘偏转角确定每一个偏转组件的偏转角度，根据所述偏转角度得出驱动装置的伸缩长度；

驱动装置根据各自的伸缩长度驱动当前舵层进行偏转。

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