本文關(guān)鍵詞：MDO方法在水面艦船總體概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

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【摘要】：總體設(shè)計(jì)是水面艦船設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)、動(dòng)力、電力、武器等學(xué)科進(jìn)行綜合權(quán)衡、集成優(yōu)化的過程和方法。同時(shí),水面艦船總體設(shè)計(jì)也是一個(gè)反復(fù)迭代、螺旋漸進(jìn)的深化過程,在整個(gè)設(shè)計(jì)周期中概念設(shè)計(jì)階段對于優(yōu)化艦船總體性能、提升設(shè)計(jì)質(zhì)量、控制風(fēng)險(xiǎn)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(fù)雜系統(tǒng)間的耦合效應(yīng),即使在設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富、設(shè)計(jì)輸入明確的前提下,也難以在全局空間內(nèi)獲得總體最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。20世紀(jì)90年代初,多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化作為一個(gè)新的研究領(lǐng)域,首先在航空航天工業(yè)界興起,現(xiàn)已逐漸應(yīng)用到其它領(lǐng)域。在艦船研制領(lǐng)域中,多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法已受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和設(shè)計(jì)人員的廣泛關(guān)注,研究成果表明,通過采用合適的多學(xué)科優(yōu)化策略,可充分利用各系統(tǒng)間的協(xié)同效應(yīng),從而獲取整體最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。然而,水面艦船總體設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和耦合性更為突出,如艦船總體設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、船體型線參數(shù)化建模、總體方案綜合效能評估等,使得多學(xué)科優(yōu)化方法在水面艦船工程應(yīng)用還面臨較多的困難,在一定程度上限制了水面艦船實(shí)際工程中的進(jìn)一步應(yīng)用。對此,本論文圍繞水面艦船總體概念設(shè)計(jì)這一關(guān)鍵問題,開展多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用研究,重點(diǎn)探討了多學(xué)科優(yōu)化策略、船型自動(dòng)變換技術(shù)、總體布局設(shè)計(jì)優(yōu)化、近似優(yōu)化策略等關(guān)鍵技術(shù),建立了水面艦船概念設(shè)計(jì)的多學(xué)科優(yōu)化模型,為在水面艦船總體設(shè)計(jì)中應(yīng)用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法提供思路和支撐。本文主要進(jìn)行了以下方面的研究:1.分析對比了不同多學(xué)科優(yōu)化方法的特性及在艦船總體設(shè)計(jì)中的適用性對MDF、CO、BLISS等多學(xué)科優(yōu)化方法的思路與流程進(jìn)行了較為全面的總結(jié),結(jié)合數(shù)學(xué)算例,從求解效率、收斂率和穩(wěn)定性等方面進(jìn)行了對比分析;在此基礎(chǔ)上,結(jié)合艦船組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn),針對艦船總體設(shè)計(jì)具有多系統(tǒng)、多約束、多目標(biāo)等特點(diǎn),剖析了不同多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的優(yōu)缺點(diǎn),以及其在艦船總體設(shè)計(jì)中應(yīng)用的適用性。2.提出了面向目標(biāo)分解的水面艦船總體設(shè)計(jì)框架及相應(yīng)的優(yōu)化算法多角度分析了水面艦船總體設(shè)計(jì)特點(diǎn),探討了設(shè)計(jì)過程中所存在的矛盾性、耦合性、復(fù)雜性;總結(jié)提出了面向設(shè)計(jì)過程、面向產(chǎn)品組成和面向目標(biāo)分解等三種艦船總體設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框架,并分析了各自身特點(diǎn);重點(diǎn)針對面向目標(biāo)的分解結(jié)構(gòu),探討目標(biāo)分解、協(xié)調(diào)與優(yōu)化的過程與思路,分析目標(biāo)分解多學(xué)科方法與該分解結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性,并采用動(dòng)態(tài)差異的增廣拉格朗日松弛方法改進(jìn)了目標(biāo)分解優(yōu)化方法,結(jié)合實(shí)例搭建了簡化的船舶概念設(shè)計(jì)優(yōu)化模型,驗(yàn)證了目標(biāo)分解結(jié)構(gòu)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(shù)化模型及基于NURBS基函數(shù)的船型變換方法探討了船型參數(shù)化建模的原理,針對具有方艉、球鼻艏、大外飄等特點(diǎn)的水面艦船,建立了主船體型線工程化的參數(shù)體系和參數(shù)化主船體曲面模型,分析提出了該方法面臨參數(shù)眾多且參數(shù)間存在相互影響的現(xiàn)象。改進(jìn)了基于NURBS基函數(shù)的船型自由變換方法,提出了一種避免局部坐標(biāo)轉(zhuǎn)換求解的控制網(wǎng)格、節(jié)點(diǎn)矢量的高效設(shè)置方法,以及指定一個(gè)或多個(gè)型值點(diǎn)的船型自動(dòng)變換算法,實(shí)現(xiàn)了利用少量控制點(diǎn)達(dá)到船型全局變換的目的,并通過實(shí)例驗(yàn)證了該方法的有效性。4.構(gòu)建了水面艦船概念設(shè)計(jì)的主要學(xué)科分析模型圍繞水面艦船概念設(shè)計(jì),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(gè)學(xué)科的數(shù)學(xué)模型。其中,針對快速性等理論較為成熟的學(xué)科,分析提出了適合概念設(shè)計(jì)階段的性能預(yù)報(bào)方法,并權(quán)衡計(jì)算精度和時(shí)間成本兩方面因素,提出了數(shù)值仿真試驗(yàn)采樣、響應(yīng)面擬合的學(xué)科分析模型;針對總體布局、重量重心等依賴設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)科,通過提煉與總結(jié),建立了符合概念設(shè)計(jì)深度的數(shù)學(xué)模型,體現(xiàn)實(shí)際工程中總體布局學(xué)科對艦船概念設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要影響;同時(shí),提出了與改進(jìn)FFD船型變換方法相適應(yīng)的靜水力計(jì)算方法,可擴(kuò)展對不同船型的適用性,并開發(fā)了相應(yīng)的程序。5.驗(yàn)證了水面艦船概念設(shè)計(jì)多學(xué)科優(yōu)化模型與改進(jìn)方法的工程應(yīng)用有效性系統(tǒng)分析了水面艦船概念設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)、總體約束、設(shè)計(jì)變量,采用層次分析法與多屬性效用函數(shù),提出了總體優(yōu)化目標(biāo)的綜合效用函數(shù);建立了基于響應(yīng)面近似和目標(biāo)分解方法的水面艦船概念設(shè)計(jì)多學(xué)科優(yōu)化模型,并在ISIGHT環(huán)境下構(gòu)建了集成優(yōu)化平臺,實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)分解優(yōu)化過程與各學(xué)科分析模塊的有機(jī)融合、數(shù)據(jù)接口的自動(dòng)交互;通過實(shí)例優(yōu)化分析與驗(yàn)證,表明本文提出的數(shù)學(xué)模型、相關(guān)算法及多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在艦船總體概念設(shè)計(jì)中應(yīng)用的有效性。
【學(xué)位授予單位】：中國艦船研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：U674.702
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本文編號：1262856