多学科设计优化方法在7000米载人潜水器总体设计中的应用

摘要

人类目前正面临着人口、资源和环境三大难题。随着各国经济的飞速发展和世界人口的不断增加，海洋资源将成为21世纪成人类社会可持续发展的重要依托和争夺焦点。深海载人潜水器能运载各种电子装置、机械设备和工程技术人员、科学家快速、精确地到达各种深海复杂环境，进行高效的勘探、科学考察和开发作业。并且载人潜水器具有良好的人机界面，同其他的技术工具比较，它具有更高的使用频率。为了加快我国海洋科学研究的脚步、提高资源开发能力，提升综合国力和保卫海洋国土资源，我国正式立项实施“十五”“863计划”重大专项“7000米载人潜水器”项目。 本文是国家“十五”863重大专项“7000米载人潜水器”中的一个重要研究内容。将多学科设计优化方法作为一种新的设计方法引入深海载人潜水器的总体设计中，以达到满足设计要求和性能指标的约束，同时得到最优的总体设计结果。并对多学科设计优化方法在水下工程方面的应用做出了探讨性的工作，主要完成了以下几个方面的工作： (1)对已有的几种多学科设计优化框架如MDF、IDF、CO和CSSO的构建思路进行叙述说明，并结合热偶算例进行MDF、IDF、CO三种框架的计算结果比较，分析三种多学科设计优化框架的特点。通过分析可以发现：对于非线性的设计空间，多学科设计优化框架、优化算法和初始点位置均对优化计算结果产生一定的影响，其中优化计算结果最佳的多学科设计优化框架为IDF。在IDF优缺点分析的基础上，提出了更加适合7000米载人潜水器总体设计的多学科设计优化框架改进方案-BLH。 (2)采用BLH框架的多学科设计优化方法对AUV进行总体概念设计。在满足AUV的设计性能要求的同时，实现了使得AUV总重量和推进功率最小，有效载荷段的长度最大等目标函数。同时，分析了优化搜索策略和初始点选取对于优化结果的影响。 (3) 根据7000米载人潜水器的结构特点和设备类型，优化设计目标和BLH多学科设计优化特点进行7000米深海载人潜水器的多学科设计优化的子系统分解。并提出各个子系统的数学模型，分析概括各个子系统的设计变量和输出变量。在这基础上进行多学科设计优化框架的集成，定义优化目标函数和设定约束条件。 (4) 采用变复杂度模型法对7000米载人潜水器多学科设计优化的耐压载人球壳结构子系统进行计算分析。不同分析方法的准确度和复杂度不同，本文采用ANSYS这种高精度分析方法对于载人球壳的极限强度进行计算，并根据所得到的计算结果来对采用经验公式方法得到的结果进行修正，使得多学科设计优化模型中集成修正后的载人球壳结构分析模型以提高计算结果的精确度和降低运算时间。 (5)采用基于BLH框架的多学科设计优化方法进行7000米载人潜水器的总体设计，通过拉丁方试验设计法进行设计变量与目标函数的相关性计算分析，来得到主要控制调节设计变量，并进行多组不同初始点和多种优化搜索策略所得到的优化结果比较，根据文中提出的判断方程得出7000米载人潜水器的最优设计。 论文创新性贡献主要体现在以上所述(1)、(2)和(5)的内容当中。通过本文的研究工作可以得出如下有价值的结论： (1) 首次实现了将多学科设计优化方法应用到7000米载人潜水器的总体设计过程中，建立了比较完整的数学模型，与原设计方案相比，找到了进一步改进设计的空间，证明了多学科设计优化方法对于大型复杂工程系统的适用性； (2) 对已有的多学科设计优化框架IDF、MDF和CO分析比较基础上首次提出应用于AUV和HOV总体设计的BLH多学科设计优化框架； (3) 基于BLH多学科设计优化方法进行AUV总体概念设计，采用试验设计方法进行设计变量与优化目标函数的相关性分析；对于AUV总体多学科设计优化的目标函数，提出判断方程来进行最优设计结果评比，从而得到AUV的最优设计结果： (4) 根据BLH多学科设计优化框架特点和7000米载人潜水器的特点进行多学科设计优化子系统分解，并采用参数化建模法进行多学科设计优化数学模型的构建。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略词说明

声明

第一章绪论

1.1论文的研究意义和背景

1.2载人潜水器的发展状况与前景

1.3 7000米载人潜水器的系统构成和研究内容

1.3.1主要分系统

1.3.2 7000米载人潜水器总体优化设计的解决方法分析

1.4多学科设计优化方法研究综述

1.4.1多学科设计优化方法概念

1.4.2多学科设计优化方法的基本理论

1.4.3多学科设计优化空间的搜索策略、设计框架和商用软件

1.4.4近似方法在MDO中的应用

1.4.5 MDO方法与质量工程结合

1.4.6国内外研究成果

1.4.7多学科设计优化方法的研究热点

1.5本文的主要工作

参考文献

第二章多学科设计优化框架比较和BLH的构想

2.1引言

2.2多学科设计优化框架分类及数学模型

2.2.1单级优化设计框架

2.2.2多级分层优化设计方法

2.2.3其他多学科设计优化框架

2.3数学算例

2.3.1数学算例说明

2.3.2三种多学科设计优化框架比较

2.3.3三种多学科设计优化框架计算结果和分析

2.4 BLH多学科优化框架的提出

2.5本章小结

参考文献

第三章 BLH多学科设计优化方法在AUV总体概念设计中的应用

3.1引言

3.2 AUV总体性能多学科设计优化问题的数学模型及BLH框架构建

3.2.1 AUV总体概念多学科设计优化的数学模型

3.2.2 AUV总体概念设计的BLH多学科设计优化框架

3.3 AUV总体概念多学科设计优化的各个子系统数学模型

3.3.1观导与控制子系统模块

3.3.2有效载荷子系统模块

3.3.3能源子系统模块

3.3.4机械子系统模块

3.3.5推进水动力子系统模块

3.3.6总控制层子系统

3.4 AUV总体概念多学科设计优化结果和分析

3.4.1 AUV总体概念多学科设计优化框架和优化算法

3.4.2多学科优化计算结果和分析

3.5本章小结

参考文献

第四章基于BLH框架的7000米载人潜水器MDO子系统的分解

4.1引言

4.2 7000米载人潜水器MDO设计的子系统分解

4.2.1 7000米载人潜水器设计任务和性能指标

4.2.2 7000米载人潜水器多学科设计的子系统分解

4.3顶层控制子系统数学模型分析

4.3.1潜水器总布置特点和几何外形参数化表示

4.3.2 7000米载人潜水器总体性能计算

4.3.3总体控制子系统的设计变量和输出变量

4.4下层并行子系统的数学模型分析

4.4.1电气设备子系统模块分析

4.4.2机械设备子系统模块分析

4.4.3载人球壳结构子系统分析

4.4.4流体阻力与推进子系统分析

4.5本章小结

参考文献

第五章载人球壳结构子系统变复杂度模型法的优化分析

5.1引言

5.2载人舱耐压壳体结构形式分析

5.3载人球壳的受力分析和计算载荷的确定

5.4载人球壳的稳定性分析

5.4.1稳定性的基本理论

5.4.2临界载荷、临界应力值的比较和变复杂度模型的确定

5.4.3 7000米载人潜水器耐压球壳优化设计的稳性、强度约束分析

5.5耐压球壳变复杂优化设计模型计算结果比较

5.5.1载人球壳优化计算分析流程

5.5.2简单模型的载人球壳优化计算分析

5.5.3有限元方法下的载人球壳优化计算分析

5.5.4载人球壳的变复杂度模型优化结果分析

5.6本章小结

参考文献

第六章流体阻力与推进子系统数学模型分析

6.1引言

6.2深海载人潜水器流体阻力分析

6.2.1经验公式方法的阻力计算

6.2.2试验模型的阻力计算

6.3潜水器流体阻力预测数学模型

6.4推进器的确定

6.4.1推进器的基本数学关系

6.4.2推进器布置方案

6.5三种运动的推进器功率

6.5.1方案一推进器布置

6.5.2三种运动的推进器功率计算

6.5.3推进器数学模型的建立

6.6流体阻力与推进子系统的数学模型

6.7本章小结

参考文献

第七章 7000米载人潜水器的总体多学科设计优化结果

7.1引言

7.2基于BLH框架的7000米载人潜水器总体的多学科设计优化流程

7.3 7000米载人潜水器总体多学科设计优化实现

7.3.1 7000米载人潜水器的多学科设计优化变量定义

7.3.2 7000米载人潜水器的总体性能多学科设计优化框架

7.4设计变量的试验设计相关性分析

7.5多学科设计优化结果比较

7.6多学科设计优化结果与原始设计方案的比较分析

7.7本章小结

参考文献

第八章全文总结与研究展望

8.1全文总结

8.2本文的主要创新点

8.3研究展望

附录

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文