Giảm mức tiêu thụ nhiên liệu thông qua tối ưu hóa thiết kế mạnh mẽ của chân vịt tàu

Ngày nay, các thiết kế cánh quạt có thể được mô phỏng một cách tỉ mỉ bằng các công cụ mạnh mẽ có tính đến nhiều lĩnh vực vật lý, từ dòng chất lỏng đến tính toàn vẹn của cấu trúc và thậm chí cả hành vi âm học. Và những thiết kế đó có thể được tối ưu hóa để đạt hiệu suất tối ưu theo cách hoàn toàn tự động. 
Tuy nhiên, câu hỏi đặt ra là liệu chúng ta có chắc chắn rằng thiết kế 'tối ưu' này tương ứng với thiết kế tối ưu trong các điều kiện của thế giới thực, nơi mà sự không chắc chắn là một phần không thể tránh khỏi của cuộc sống. Ví dụ, độ không đảm bảo gắn liền với các điều kiện vận hành như tốc độ tàu và tốc độ quay của trục, hoặc độ không đảm bảo trong quy trình sản xuất, dẫn đến sự thay đổi hình học trong hình dạng chân vịt có thể tác động đáng kể đến hiệu suất cuối cùng của chân vịt.
Để tìm câu trả lời cho câu hỏi này, nên xem xét tối ưu hóa mạnh mẽ. Tối ưu hóa thiết kế mạnh mẽ (Robust Design Optimization - RDO) tính đến một loạt các yếu tố không chắc chắn này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của sản phẩm. Nó cho phép các thiết kế được tối ưu hóa theo cách 'mạnh mẽ', ví dụ bằng cách làm cho chúng ít nhạy cảm hơn với các biến thể không thể tránh khỏi trong điều kiện vận hành hoặc với những khác biệt nhỏ về hình học do sự thay đổi trong sản xuất.
Để minh họa điều này, trường hợp khách hàng được mô tả dưới đây trình bày sự tối ưu hóa trong điều kiện không chắc chắn của chân vịt tàu ngầm. Mục tiêu của trường hợp này là giảm tác động của sự thay đổi trong sản xuất đối với hiệu quả sử dụng nước ngoài trời của con tàu.

Hai nghiên cứu tối ưu hóa chân vịt tàu ngầm đã được thực hiện. Đầu tiên, tối ưu hóa thiết kế tiêu chuẩn (tất định) đã được sử dụng để tối đa hóa hiệu suất nước mở của chân vịt. Sau đó, trong bước thứ hai, tối ưu hóa thiết kế mạnh mẽ đã được thực hiện để tối đa hóa giá trị trung bình của hiệu quả nước mở và giảm thiểu độ lệch chuẩn của hiệu quả này. 

Tổng cộng có 12 độ không đảm bảo được xác định và mô tả cho trường hợp này: 11 độ không đảm bảo sản xuất và 1 độ không đảm bảo vận hành (vận tốc trục). Độ không đảm bảo sản xuất được suy ra từ tiêu chuẩn kỹ thuật ISO-484-2, quy định tất cả các dung sai sản xuất cho trường hợp cụ thể này. Sự thay đổi trong sản xuất của mọi chân vịt phải tuân theo các dung sai sản xuất áp đặt này.
Phần mềm tối ưu hóa của Cadence FINE™/Design3D được trang bị mô-đun phân tích Định lượng không chắc chắn (UQ) độc đáo. Nó cho phép các nhà thiết kế dễ dàng đánh giá tác động của sự không chắc chắn đối với hiệu suất bằng cách thực hiện một số mô phỏng CFD theo cách hoàn toàn tự động. Trong nghiên cứu này, 12 độ không đảm bảo được xác định dẫn đến 35 mô phỏng CFD riêng lẻ.

Để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của độ không đảm bảo đối với hiệu suất và để giảm chi phí tính toán, Cadence đã phát triển một công cụ xử lý hậu kỳ thông minh, được gọi là “độ nhạy theo tỷ lệ”. Công cụ này đo lường mức độ nhạy cảm của hiệu suất, trong trường hợp này là hiệu quả của nước mở, đối với những điều không chắc chắn cụ thể. Khai thác các dẫn xuất độ nhạy này cho phép các nhà thiết kế giảm số lượng độ không đảm bảo được phân tích xuống mức tối thiểu có liên quan và do đó giảm thiểu chi phí tính toán. Đối với nghiên cứu này, Hình 1 cho thấy hiệu quả của nước mở rất nhạy cảm với chiều dài hợp âm chân vịt và vận tốc tàu, trong khi độ dày chỉ đóng một vai trò nhỏ. Biết được điều này cho phép chúng tôi hợp nhất tất cả các phần chiều dày lại với nhau cho nghiên cứu này, tạo thành một biện pháp kiểm soát độ không đảm bảo duy nhất cho chiều dày ở 70% chiều cao nhịp.

 

Phân tích UQ được thực hiện trên thiết kế xác định tiêu chuẩn, để có thể so sánh kết quả của nó với phiên bản tối ưu mạnh mẽ. Hình 2 cho thấy một biểu đồ Pareto đặc trưng trong đó độ lệch chuẩn của hiệu suất nước mở được thể hiện trên giá trị trung bình của nó.

Thiết kế cơ sở mà nghiên cứu bắt đầu được biểu thị trong biểu đồ bằng dấu chấm màu đỏ và kết quả UQ của thiết kế tối ưu tiêu chuẩn (không tính đến độ không đảm bảo) bằng hình vuông màu xanh lam. Biểu đồ cho thấy rằng hiệu suất nước mở đã tăng khá đáng kể 8,5%, nhưng độ lệch chuẩn của nó cũng tăng 2,6%. Điều này có nghĩa là thiết kế này hơi nhạy cảm hơn với ảnh hưởng của sự thay đổi trong sản xuất và vận tốc dọc trục so với thiết kế ban đầu. »

Thiết kế tối ưu mạnh mẽ 3 được vẽ trong hình. Hình 2 cho thấy giá trị trung bình của hiệu suất nước mở tăng tương đương với thiết kế tối ưu tiêu chuẩn, cụ thể là 8,5%. Tuy nhiên, độ biến thiên của nó giảm -17,7%. Điều đó có nghĩa là thiết kế này ít nhạy cảm hơn với ảnh hưởng của sự thay đổi trong sản xuất và vận tốc dọc trục so với thiết kế ban đầu và nó mang lại hiệu suất ổn định hơn.
Hình 3 so sánh các hình dạng của thiết kế tối ưu hóa tiêu chuẩn và kết quả tối ưu hóa chắc chắn nhất với hình dạng cánh quạt ban đầu. Mặc dù hiệu suất của cả hai thiết kế là như nhau, nhưng hình dạng của chúng lại khác nhau đáng kể!

 

Tối ưu hóa thiết kế mạnh mẽ cho phép các kỹ sư tạo ra các thiết kế ít nhạy cảm hơn với các biến động vận hành và sản xuất hiện có và không thể tránh khỏi. So sánh tiêu chuẩn và tối ưu hóa thiết kế mạnh mẽ cho thấy rõ ràng rằng có thể đạt được mức tăng hiệu suất tương đương với cả hai chiến lược trong trường hợp chân vịt hàng hải này, nhưng chỉ tối ưu hóa mạnh mẽ mới cho phép giảm sự thay đổi hiệu suất, làm cho nó ít nhạy cảm hơn với những điều không chắc chắn bắt nguồn từ quá trình sản xuất hoặc từ sự thay đổi trong vận hành.