發(fā)布時間：2020-05-16 12:47

【摘要】： 深�？臻g站是一個高新技術(shù)密集、多個學(xué)科高度綜合的復(fù)雜系統(tǒng)工程,涉及到多個學(xué)科內(nèi)容:水動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料、能源與推進(jìn)、操縱與控制等。這些學(xué)科之間相互聯(lián)系,有的甚至相互矛盾,使得深�？臻g站的總體概念設(shè)計呈現(xiàn)典型的“多學(xué)科”特點。然而,傳統(tǒng)設(shè)計方法不能充分地考慮學(xué)科之間的相互影響,且依賴于總體設(shè)計專家的經(jīng)驗,由此得到的設(shè)計結(jié)果往往只是滿足設(shè)計要求的解,并非真正的整體最優(yōu)解,從而導(dǎo)致深�？臻g站總體性能的下降。此外,傳統(tǒng)設(shè)計方法存在設(shè)計周期長、效率低的問題,且深�？臻g站尚無設(shè)計經(jīng)驗可以依靠,故將傳統(tǒng)設(shè)計方法直接應(yīng)用于深�？臻g站的總體概念設(shè)計,會導(dǎo)致整個研發(fā)成本的急劇增加,傳統(tǒng)設(shè)計方法已難以適應(yīng)深�？臻g站這類復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。為了應(yīng)對深�？臻g站總體概念設(shè)計中這樣的難題,必須尋找到一種新的設(shè)計理論和方法,從系統(tǒng)的觀點突破傳統(tǒng)設(shè)計方法存在的缺陷,進(jìn)而實現(xiàn)深�？臻g站的整體優(yōu)化設(shè)計。 在這種情況下,本文作為國防科工委“十一五”重大科技專項“深�？臻g站主站關(guān)鍵技術(shù)研究”的有機組成部分,引入航空領(lǐng)域迅速發(fā)展起來的解決復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法(Multidisciplinary Design Optimization, MDO),探索其在深�？臻g站總體概念設(shè)計應(yīng)用上的可行性和適用性。論文圍繞多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法及其在深�？臻g站總體概念設(shè)計中的應(yīng)用,主要進(jìn)行了以下幾方面的研究工作: 1.課題相關(guān)研究領(lǐng)域的綜述 針對深�？臻g站的國內(nèi)外研究進(jìn)展以及多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化研究與應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。闡述了多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化在深�？臻g站總體概念設(shè)計中應(yīng)用的意義,介紹了多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化的發(fā)展概況、難點以及主要研究內(nèi)容。 2.多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法的比較研究 選取三種具有代表性的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法:MDF、CO以及BLISS方法,詳細(xì)介紹了它們的設(shè)計思想以及數(shù)學(xué)模型。采用NASA提供的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)算例,并結(jié)合多屬性決策法對以上三種多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法進(jìn)行了不同初始點的定量比較。研究結(jié)果表明:(1)隨著工程對象的不同,所適合的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法也將不同,沒有絕對意義上最好的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法;(2)基于BLISS和CO提出一種新的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法,將對深�？臻g站的總體概念設(shè)計有著重要的現(xiàn)實意義。 3.結(jié)合BLISS和CO的主要特點,提出了兩級集成系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化(BLISCO)多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法 在保留協(xié)同優(yōu)化方法協(xié)同機制的同時,借鑒BLISS將設(shè)計變量分為系統(tǒng)級設(shè)計變量和子系統(tǒng)設(shè)計變量,并用子系統(tǒng)耦合輸出響應(yīng)的加權(quán)和代替一致性約束作為子系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù),從而提出了BLISCO多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法。通過NASA提供的兩個多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)算例對BLISCO進(jìn)行了測試。結(jié)果表明:BLISCO在滿足收斂性的同時,具備較佳的準(zhǔn)確性與魯棒性,是一種有效的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法,從而為實現(xiàn)深�？臻g站的總體概念多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化提供了有力的工具。 4.采用BLISCO多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法對載人潛水器(HOV)進(jìn)行總體概念設(shè)計 為了更好地實現(xiàn)深�？臻g站總體概念的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化以及探索BLISCO方法在潛器多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化中的可行性和適用性,采用BLISCO方法成功實現(xiàn)了HOV總體概念的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果顯示:HOV的總體綜合性能大大提升,縮短了設(shè)計周期,且BLISCO方法對于HOV總體概念多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化的綜合效果優(yōu)于PGA-CO。因此,BLISCO方法完全可以應(yīng)用于潛器的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化,從而為基于BLISCO方法的深�？臻g站總體概念多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化提供工程實例支持。 5.深�？臻g站系統(tǒng)集成模型的研究 根據(jù)深�？臻g站系統(tǒng)設(shè)計的特點,建立了包含外形、阻力與推進(jìn)、能源、結(jié)構(gòu)、重量與靜水力平衡、以及操縱性六大學(xué)科的參數(shù)化系統(tǒng)集成模型,明確了各學(xué)科的輸入輸出關(guān)系。通過設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的應(yīng)用,建立了合理的設(shè)計流程,并發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)集成模型存在以下兩個特點:(1)學(xué)科之間信息的大量交換;(2)只存在設(shè)計信息的向前傳遞,而無信息反饋。因此,深�？臻g站的總體概念設(shè)計是一個順序執(zhí)行的過程,屬于弱耦合設(shè)計問題。本研究為即將開展的基于BLISCO方法的深�？臻g站總體概念多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化奠定了堅實的基礎(chǔ)。 6.BLISCO方法在深�？臻g站上的應(yīng)用研究 本研究以深�？臻g站系統(tǒng)集成模型為基礎(chǔ),將深�？臻g站總體概念設(shè)計優(yōu)化問題分解為水動力子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)以及總體性能子系統(tǒng),然后采用BLISCO方法對其進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化。BLISCO方法在深�？臻g站多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化中的成功應(yīng)用表明:(1)結(jié)合BLISCO思想提出的深�？臻g站三子系統(tǒng)分解方法是可行的;(2)BLISCO方法可有效應(yīng)用于深�？臻g站的總體概念多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化。 本文創(chuàng)新性的工作總結(jié)如下: 1.結(jié)合BLISS和CO的主要特點,提出了BLISCO多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法。通過標(biāo)準(zhǔn)算例的測試,揭示了BLISCO具有諸多優(yōu)點,是對多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法的豐富和發(fā)展; 2.針對深�？臻g站的特點,建立了參數(shù)化的系統(tǒng)集成模型,在此基礎(chǔ)上將深�？臻g站的總體概念設(shè)計分解為三個子系統(tǒng),并將本文所建立的BLISCO多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法成功地加以應(yīng)用,實現(xiàn)了深�？臻g站總體概念的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化; 3.針對PGA-CO在載人潛水器總體概念多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化中存在計算量大和效率低的問題,將BLISCO多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法應(yīng)用于載人潛水器的總體概念設(shè)計,有力提升了載人潛水器的總體性能和設(shè)計效率,再次驗證了BLISCO多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法的優(yōu)越性。
【圖文】：

圖 1-2 深海研究潛艇Fig.1-2 Deep sea research submarine（2）俄羅斯俄羅斯歷來重視水下裝備技術(shù)的發(fā)展與儲備，在深海裝備研制方面具有很強

以及國內(nèi)關(guān)于該技術(shù)的研究概況。（1）美國美國于1969年成功研制了世界上唯一一艘核動力研究潛艇“NR-1”號，，如圖1-1所示。其工作深度達(dá)2375英尺，主要擔(dān)負(fù)水下搜索與回收、海底地質(zhì)調(diào)查、海洋科學(xué)研究以及水下設(shè)備的安裝與維護等任務(wù)。雖然核動力能源可實現(xiàn)長航程航行，但受到食品與飲用水的限制，“NR-1”可支持2名艇員以及2名科學(xué)家30天的能量消耗。截至目前，NR-1已經(jīng)過兩次燃料補給以及現(xiàn)代化更新，到2012年它將再次進(jìn)行燃料補充和設(shè)備更換�？紤]到“NR-1”服役年限過長，美國海軍已考慮設(shè)計更為先進(jìn)的“NR-2”來替代“NR-1”，并委托美國蘭德公司[2]確定“NR-2”的任務(wù)及其優(yōu)先級
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號】：P754

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 蔣平;匡玲;邵新宇;肖蜜;;基于近似模型的兩級集成系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化方法[J];中國機械工程;2012年04期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 姜哲;多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化在桁架式Spar平臺概念設(shè)計中的應(yīng)用研究[D];上海交通大學(xué);2010年

2 朱德泉;基于聯(lián)合仿真的機電液一體化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 匡玲;基于近似模型的兩級集成系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化方法研究[D];華中科技大學(xué);2012年

本文編號：2666756