本文關鍵詞：深海無人智能潛水器力學性能和能源系統(tǒng)綜合優(yōu)化方法研究

  更多相關文章： 水下無人潛水器（UUV） 綜合性能 模糊評判 優(yōu)化設計 層次分析法（AHP）

【摘要】：深海發(fā)展戰(zhàn)略是二十一世紀最重要的發(fā)展戰(zhàn)略之一，特別是深海海洋平臺和深海深潛器的發(fā)展，深海無人智能潛水器初步設計與優(yōu)化是潛水器設計的重要組成部分。潛水器系統(tǒng)之復雜耦合度之高，其設計需要更高精度的數(shù)學建模方法和效率更高的優(yōu)化方法來實現(xiàn)。本文通過深入分析深潛器快速性、操縱性、能源艙和控制艙各個系統(tǒng)基本性能指標，基于設計航程為100km、潛深為2000m的深潛器綜合性能提出了優(yōu)化數(shù)學模型和優(yōu)化計算效率較高的并行分層優(yōu)化算法，利用層次分析法和模糊評判方法建立系統(tǒng)綜合優(yōu)化目標函數(shù)，并用VC++語言編寫了深海無人深潛器軟件系統(tǒng)，對深潛器性能進行綜合優(yōu)化。論文的研究工作總結(jié)如下： 1.選取AUTOSUB、REMUS、BLUEFIN1（流線型），BLUEFIN2（鈍線性）、HUGIN附體只包含十字舵或者整流罩的五種典型回轉(zhuǎn)型深潛器裸艇體型線，利用多種湍流模式進行阻力數(shù)值模擬得到阻力計算值，并用ITTC理論計算值校核得到SST-kω誤差最��；基于升力線理論程序設計了二葉螺旋槳并通過實驗驗證其敞水性能，形成回轉(zhuǎn)型深潛器快速性優(yōu)化系統(tǒng)，初步優(yōu)化得到在2kn~5kn航速下AUTOSUB線型深潛器阻力性能綜合最佳�？紤]到AUTOSUB線型深潛器布放和艙容的需要，將深潛器平行中體底部修改成平底形狀，得到目標深潛器無量綱數(shù)值型線，利用中心試驗設計方法（DOE）將艇體首部、中部、尾部長度和型寬數(shù)值離散，建立135個有限元結(jié)構(gòu)模型，包括1080個設計工況，利用無量綱分析方法和多元曲線擬合分析方法得到粘壓阻力系數(shù)和摩擦阻力系數(shù)響應面，最終建立了目標深潛器快速能優(yōu)化子系統(tǒng)。 2.分析深潛器垂直面和水平面的操縱機動性和穩(wěn)定性，基于主艇體尺度估算裸艇體附加質(zhì)量系數(shù)并計算主艇體水動力導數(shù)，利用薄翼理論近似估算附體水動力導數(shù)，最終相加得到深潛器水動力導數(shù)，包括加速度導數(shù)、速度導數(shù)、角速度導數(shù)以及舵水動力導數(shù)，綜合深潛器操縱性能建立優(yōu)化子模型，選取水平面穩(wěn)定性指標（沖角靜不定系數(shù)、垂直面動穩(wěn)定衡準數(shù)、定深直線運動縱傾角、定深運動平衡舵角、垂直面自由擾動操縱穩(wěn)定性方程最小特征根）、水平面性指標（垂直面運動升速率、垂直面運動逆速、垂直面運動初轉(zhuǎn)期）、水平面穩(wěn)定性指標（漂角靜不定系數(shù)、直線運動穩(wěn)定衡準數(shù)和水平面自由擾動操縱穩(wěn)定性方程最小特征根）、水平面機動性指標（定常回轉(zhuǎn)舵效指數(shù)、水平面運動初轉(zhuǎn)期）共13個優(yōu)化子目標函數(shù)。 3.分析能源系統(tǒng)性能以及滿足約束，主要包括電池箱電能配置、電池箱電路連接、電池箱幾何布置。能源系統(tǒng)耗電包括控制電和動力電，電池箱一方面需要滿足深潛器系統(tǒng)的電壓需求又要滿足深潛器能源約束和能源艙幾何約束，選取控制電和動力電的電路效率、能源儲備效率和能源艙能重比為子目標函數(shù)并基于層次分析和模糊評判方法建立能源系統(tǒng)優(yōu)化總目標函數(shù)。 4.分析控制艙耐壓殼系統(tǒng)，利用薄殼理論選取相對比質(zhì)量作為控制艙優(yōu)化目標函數(shù)，基于彈性力學穩(wěn)定性理論和強度理論，提出了控制艙耐壓殼滿足的約束條件，，強度條件包括殼條梁中點、兩端和肋骨滿足強度校核，穩(wěn)定性條件包括肋骨間殼板局部穩(wěn)定性和環(huán)肋圓柱殼總體穩(wěn)定性，最終提出了控制艙耐壓殼子系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學模型。 5.闡述了優(yōu)化算法的并行、分層策略，提出優(yōu)化空間的約束松弛策略和基于重點變量的并行優(yōu)化算法，研究了混沌算法、遺傳算法的基本理論流程并利用C++編寫相應算法的程序，基于深潛器綜合優(yōu)化模型提出了基于遺傳算法的并行混合分層算法，包括并行遺傳算法、分層遺傳算法和遺傳禁忌搜索混合算法。綜合深潛器四大子系統(tǒng)提出了深潛器總體優(yōu)化數(shù)學模型。根據(jù)優(yōu)化設計變量對系統(tǒng)影響將設計變量分為系統(tǒng)級設計變量，子系統(tǒng)間耦合變量以及子系統(tǒng)內(nèi)部優(yōu)化變量；分析深潛器綜合優(yōu)化數(shù)學模型提出基于AHP法的系統(tǒng)總優(yōu)化多目標函數(shù)，基于不同優(yōu)化算法進行優(yōu)化，得到分層遺傳算法的綜合優(yōu)化效果最佳，選取該算法對優(yōu)化子系統(tǒng)進行聯(lián)合測試，發(fā)現(xiàn)綜合性能優(yōu)化系統(tǒng)總目標函數(shù)對快速性子系統(tǒng)權重最為敏感。
【關鍵詞】：水下無人潛水器（UUV） 綜合性能 模糊評判 優(yōu)化設計 層次分析法（AHP）
【學位授予單位】：江蘇科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：U674.941
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-16
• 第一章 緒論16-26
• 1.1 課題研究目的與意義16-17
• 1.2 深潛器總體優(yōu)化研究現(xiàn)狀17-22
• 1.2.1 深海無人深潛器最新發(fā)展現(xiàn)狀17-20
• 1.2.2 深潛器總體性能研究發(fā)展現(xiàn)狀20-22
• 1.3 多學科優(yōu)化方法和優(yōu)化算法研究進展22-23
• 1.4 本文研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)23-26
• 第二章 深潛器快速性優(yōu)化設計模型26-56
• 2.1 回轉(zhuǎn)型深潛器主艇體設計26-30
• 2.1.1 回轉(zhuǎn)型深潛器裸艇體參數(shù)設置26-27
• 2.1.2 十字舵和整流罩設計27-28
• 2.1.3 數(shù)值艇幾何建模和 CFD 數(shù)值分析28-30
• 2.2 不同型線回轉(zhuǎn)型深潛器裸艇體阻力優(yōu)化分析30-46
• 2.2.1 深潛器阻力分類30-31
• 2.2.2 響應面多元擬合原理31-34
• 2.2.3 艇體數(shù)值模擬和阻力性能分析34-40
• 2.2.4 回轉(zhuǎn)型深潛器優(yōu)化系統(tǒng)初步構(gòu)造與優(yōu)化分析40-45
• 2.2.5 回轉(zhuǎn)型深潛器平行中底改進設計45-46
• 2.3 基于響應面方法深潛器阻力優(yōu)化系統(tǒng)詳細設計46-50
• 2.3.1 深潛器艇體阻力計算方法46-47
• 2.3.2 深潛器阻力優(yōu)化系統(tǒng)的構(gòu)造47-49
• 2.3.3 響應面精度統(tǒng)計分析49-50
• 2.4 深潛器型線設計及穩(wěn)性計算50-53
• 2.4.1 深潛器數(shù)值艇型線設計50-52
• 2.4.2 深潛器總布置設計52
• 2.4.3 深潛器重心和浮心估算52-53
• 2.5 深潛器快速性優(yōu)化設計模型53-55
• 2.5.1 螺旋槳幾何參數(shù)及性能分析53-54
• 2.5.2 無人深潛器快速性綜合優(yōu)化數(shù)學模型54-55
• 2.6 本章小結(jié)55-56
• 第三章 深潛器操縱性優(yōu)化設計模型56-90
• 3.1 深潛器運動參數(shù)及水動力分類56-60
• 3.1.1 水平面和垂直面運動主要參數(shù)57-58
• 3.1.2 深潛器水動力分類58-59
• 3.1.3 深潛器水平面和垂直面操縱運動方程59-60
• 3.2 水動力導數(shù)的估算和修正60-67
• 3.2.1 水動力符號及意義60-62
• 3.2.2 水動力導數(shù)的估算方法62-67
• 3.3 UUV 垂直面運動性能指標67-74
• 3.3.1 垂直面運動穩(wěn)定性指標67-72
• 3.3.2 垂直面運動機動性指標72-74
• 3.4 UUV 水平面運動性能指標74-77
• 3.4.1 水平面運動穩(wěn)定性指標74-77
• 3.4.2 水平面運動機動性指標77
• 3.5 基于層次分析法深潛器操縱性能優(yōu)化數(shù)學模型77-89
• 3.5.1 深潛器操縱性綜合模糊評判模型77-86
• 3.5.2 深潛器操縱性能綜合優(yōu)化模型86-89
• 3.6 本章小結(jié)89-90
• 第四章 深潛器能源系統(tǒng)設計與優(yōu)化模型90-98
• 4.1 電池選擇與電路連接90-91
• 4.2 能耗估算與布置設計91-94
• 4.3 能源艙的幾何參數(shù)94-96
• 4.4 能源系統(tǒng)綜合優(yōu)化數(shù)學模型96-97
• 4.4.1 優(yōu)化設計變量96
• 4.4.2 目標函數(shù)96-97
• 4.4.3 約束條件97
• 4.5 本章小結(jié)97-98
• 第五章 控制艙耐壓殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計模型98-108
• 5.1 耐壓殼控制艙結(jié)構(gòu)設計98-99
• 5.2 基于薄殼理論耐壓控制艙優(yōu)化數(shù)學模型99-106
• 5.2.1 控制耐壓艙應力分析99-102
• 5.2.2 控制艙強度計算與校核102-103
• 5.2.3 控制艙穩(wěn)定性計算與校核103-106
• 5.3 深潛器控制艙結(jié)構(gòu)性能綜合優(yōu)化模型106
• 5.4 本章小結(jié)106-108
• 第六章 基于并行分層策略改進的優(yōu)化算法108-126
• 6.1 優(yōu)化系統(tǒng)優(yōu)化算法改進策略108-114
• 6.1.1 優(yōu)化算法并行策略108-110
• 6.1.2 優(yōu)化算法分層策略110-111
• 6.1.3 優(yōu)化算法約束松弛策略111-112
• 6.1.4 重點變量的并行優(yōu)化算法112-114
• 6.2 優(yōu)化算法的構(gòu)造114-121
• 6.2.1 單一優(yōu)化算法114-119
• 6.2.2 基于遺傳算法的并行混合分層算法119-121
• 6.3 算法分析與測試121-124
• 6.4 本章小結(jié)124-126
• 第七章 深海無人深潛器綜合性能系統(tǒng)優(yōu)化分析126-140
• 7.1 深海無人深潛器綜合性能優(yōu)化數(shù)學模型126-131
• 7.1.1 優(yōu)化系統(tǒng)設計變量126
• 7.1.2 基于層次分析法和模糊評判方法總目標函數(shù)126-130
• 7.1.3 優(yōu)化系統(tǒng)系統(tǒng)約束條件130-131
• 7.2 深海無人深潛器系統(tǒng)優(yōu)化分析131-136
• 7.2.1 優(yōu)化設計變量系統(tǒng)分析131-132
• 7.2.2 不同優(yōu)化算法優(yōu)化分析132-136
• 7.3 深潛器優(yōu)化子系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化136-139
• 7.3.1 深潛器快速性和操縱性能聯(lián)合優(yōu)化136-137
• 7.3.2 深潛器快速性和能源系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化137-138
• 7.3.3 深潛器快速性、操縱性和能源系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化138-139
• 7.4 本章小結(jié)139-140
• 結(jié)論與展望140-144
• 參考文獻144-148
• 附錄1148-156
• 附錄2156-160
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文及其他研究成果160-162
• 致謝162

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 卜廣志;張宇文;;A Multidisciplinary Design Optimization Model for AUV Synthetic Conceptual Design[J];Journal of China Ordnance;2006年04期

2 徐海軍;謝海斌;張代兵;;微小型水下機器人推進方式的比較研究[J];兵工自動化;2009年04期

3 趙加鵬;張云海;任

本文編號：741039