本文關鍵詞：MDO方法在水面艦船總體概念設計中的應用研究

  更多相關文章： 水面艦船 總體概念設計 多學科設計優(yōu)化 目標分解優(yōu)化方法

【摘要】：總體設計是水面艦船設計的核心環(huán)節(jié),是將艦船研制過程所涉及的總體布置、航行性能、結構、動力、電力、武器等學科進行綜合權衡、集成優(yōu)化的過程和方法。同時,水面艦船總體設計也是一個反復迭代、螺旋漸進的深化過程,在整個設計周期中概念設計階段對于優(yōu)化艦船總體性能、提升設計質量、控制風險具有極其重要的作用。然而,由于傳統(tǒng)優(yōu)化方法無法充分考慮復雜系統(tǒng)間的耦合效應,即使在設計經驗豐富、設計輸入明確的前提下,也難以在全局空間內獲得總體最優(yōu)的設計方案。20世紀90年代初,多學科設計優(yōu)化作為一個新的研究領域,首先在航空航天工業(yè)界興起,現(xiàn)已逐漸應用到其它領域。在艦船研制領域中,多學科設計優(yōu)化方法已受到國內外學術界和設計人員的廣泛關注,研究成果表明,通過采用合適的多學科優(yōu)化策略,可充分利用各系統(tǒng)間的協(xié)同效應,從而獲取整體最優(yōu)的設計方案。然而,水面艦船總體設計的復雜性和耦合性更為突出,如艦船總體設計數學模型構建、船體型線參數化建模、總體方案綜合效能評估等,使得多學科優(yōu)化方法在水面艦船工程應用還面臨較多的困難,在一定程度上限制了水面艦船實際工程中的進一步應用。對此,本論文圍繞水面艦船總體概念設計這一關鍵問題,開展多學科設計優(yōu)化方法的應用研究,重點探討了多學科優(yōu)化策略、船型自動變換技術、總體布局設計優(yōu)化、近似優(yōu)化策略等關鍵技術,建立了水面艦船概念設計的多學科優(yōu)化模型,為在水面艦船總體設計中應用多學科設計優(yōu)化方法提供思路和支撐。本文主要進行了以下方面的研究:1.分析對比了不同多學科優(yōu)化方法的特性及在艦船總體設計中的適用性對MDF、CO、BLISS等多學科優(yōu)化方法的思路與流程進行了較為全面的總結,結合數學算例,從求解效率、收斂率和穩(wěn)定性等方面進行了對比分析;在此基礎上,結合艦船組織結構特點,針對艦船總體設計具有多系統(tǒng)、多約束、多目標等特點,剖析了不同多學科設計優(yōu)化方法的優(yōu)缺點,以及其在艦船總體設計中應用的適用性。2.提出了面向目標分解的水面艦船總體設計框架及相應的優(yōu)化算法多角度分析了水面艦船總體設計特點,探討了設計過程中所存在的矛盾性、耦合性、復雜性;總結提出了面向設計過程、面向產品組成和面向目標分解等三種艦船總體設計的結構框架,并分析了各自身特點;重點針對面向目標的分解結構,探討目標分解、協(xié)調與優(yōu)化的過程與思路,分析目標分解多學科方法與該分解結構的適應性,并采用動態(tài)差異的增廣拉格朗日松弛方法改進了目標分解優(yōu)化方法,結合實例搭建了簡化的船舶概念設計優(yōu)化模型,驗證了目標分解結構的有效性和優(yōu)化算法的收斂性。3.建立了水面艦船的船型參數化模型及基于NURBS基函數的船型變換方法探討了船型參數化建模的原理,針對具有方艉、球鼻艏、大外飄等特點的水面艦船,建立了主船體型線工程化的參數體系和參數化主船體曲面模型,分析提出了該方法面臨參數眾多且參數間存在相互影響的現(xiàn)象。改進了基于NURBS基函數的船型自由變換方法,提出了一種避免局部坐標轉換求解的控制網格、節(jié)點矢量的高效設置方法,以及指定一個或多個型值點的船型自動變換算法,實現(xiàn)了利用少量控制點達到船型全局變換的目的,并通過實例驗證了該方法的有效性。4.構建了水面艦船概念設計的主要學科分析模型圍繞水面艦船概念設計,分別建立了靜水力、快速性、耐波性、操縱性、總體布局和重量重心等六個學科的數學模型。其中,針對快速性等理論較為成熟的學科,分析提出了適合概念設計階段的性能預報方法,并權衡計算精度和時間成本兩方面因素,提出了數值仿真試驗采樣、響應面擬合的學科分析模型;針對總體布局、重量重心等依賴設計經驗的學科,通過提煉與總結,建立了符合概念設計深度的數學模型,體現(xiàn)實際工程中總體布局學科對艦船概念設計優(yōu)化的重要影響;同時,提出了與改進FFD船型變換方法相適應的靜水力計算方法,可擴展對不同船型的適用性,并開發(fā)了相應的程序。5.驗證了水面艦船概念設計多學科優(yōu)化模型與改進方法的工程應用有效性系統(tǒng)分析了水面艦船概念設計的優(yōu)化目標、總體約束、設計變量,采用層次分析法與多屬性效用函數,提出了總體優(yōu)化目標的綜合效用函數;建立了基于響應面近似和目標分解方法的水面艦船概念設計多學科優(yōu)化模型,并在ISIGHT環(huán)境下構建了集成優(yōu)化平臺,實現(xiàn)了目標分解優(yōu)化過程與各學科分析模塊的有機融合、數據接口的自動交互;通過實例優(yōu)化分析與驗證,表明本文提出的數學模型、相關算法及多學科設計優(yōu)化方法在艦船總體概念設計中應用的有效性。
【學位授予單位】：中國艦船研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：U674.702
，

本文編號：1262856