智能无人投饵船涵道螺旋桨性能提升：公理化设计与可拓学驱动的优化研究

为解决智能无人投饵船在适应性、稳定性等方面的不足，研究人员基于公理化设计（AD）与可拓学，针对涵道螺旋桨开展耦合矛盾分析与优化。通过 NSGA-II 算法、DES 混合湍流模型等，实现推进效率提升、空化抑制，为绿色水产养殖提供理论支撑。

　　

水产养殖智能化浪潮下，传统投饵方式因精准度低、资源浪费严重等问题，难以满足可持续发展需求。挪威的实时自适应投喂系统、芬兰的陆基机器人方案虽提升了部分性能，但在复杂水域环境中，智能无人投饵船仍面临适应性差、运行稳定性不足、能耗较高等挑战。如何在保证推进效率的同时抑制空化现象，平衡结构创新与功能可靠性，成为制约行业发展的关键瓶颈。

贵州大学机械工程学院的研究人员针对上述问题，开展了 “智能无人投饵船涵道螺旋桨性能提升：公理化设计与可拓学驱动的优化研究”。研究通过跨学科融合，将公理化设计（Axiomatic Design, AD）的系统分解能力与可拓学（Extenics）的矛盾解决方法相结合，构建了全新的设计范式，并发表于《Aquaculture International》。

研究采用的关键技术方法包括：

1. 公理化设计分层分析：通过 “之” 字形映射将功能需求（FRs）逐层分解为设计参数（DPs），构建 22×22 设计矩阵（DM），识别出 3×3 耦合矛盾矩阵。
2. 可拓学矛盾解决：利用物元、事元、关系元模型描述矛盾，通过发散分析与关联函数量化设计参数与性能指标的关联度，定位优化方向。
3. 数值模拟与算法优化：基于非均匀有理 B 样条（NURBS）曲线建模，结合 NSGA-II 遗传算法，对涵道螺旋桨的翼型、螺距、弦长等参数进行多目标优化；采用分离涡模拟（DES）结合剪切应力传递（SST）k-w 湍流模型，分析流场特性。
4. 原型验证：制造玻璃纤维增强尼龙涵道与 6061 铝合金螺旋桨原型，通过实验室水槽与湖泊环境测试，验证优化效果。

分层设计与矛盾识别

通过 AD 分层拆解，系统功能需求被逐级细化为推进、控制、模块化等子需求。在叶层级 FR-DP 映射中，发现推进效率（FR₁₁₂₁）与空化振动（FR₁₁₂₂）的耦合矛盾，集中体现在 3×3 设计矩阵中。可拓学分析表明，负载系统稳定性与推进效率、空化抑制间存在因果与并行关系，需通过结构优化打破矛盾。

涵道螺旋桨优化

利用 NURBS 曲线与 Delta Shift 技术参数化建模，通过 NSGA-II 算法优化得出：优化后螺旋桨在半径 0.45-0.85 处螺距增大，0.2-0.52 处弦长增加，尾缘半径减小。DES 模拟显示，优化后流场速度分布更均匀，压力面与吸力面压差合理，推进效率在进速系数 J>0.3 时显著提升，空化区域减少。

实验验证与性能提升

原型测试表明，优化后涵道螺旋桨在 J=0.4 时推力提升 25% 至 55N，效率提升 15% 至 68%；J=0.5 时推力达 68N，效率 72%。能耗方面，3 节航速下每小时电耗从 5.5° 降至 4.5°，降幅 18.2%。此外，叶片根部投影面积增大增强了结构强度，高转速下振动与噪声显著降低。

研究结论表明，AD 与可拓学的融合有效解决了设计中的耦合矛盾，NSGA-II 与 DES 的结合实现了涵道螺旋桨的多目标优化。优化后的投饵船在复杂水域稳定性、投饵精度、能效比等方面显著提升，为空化抑制、绿色节能型水产养殖装备研发提供了新范式。该研究不仅拓展了公理化设计在农业工程中的应用边界，也为智能装备的跨学科创新提供了方法论参考，对推动水产养殖自动化、降低环境负荷、提升产业可持续性具有重要意义。