变体多航态船概念设计与航行性能优化

摘要

针对特定背景和需求，提出变体多航态船概念，结合传统船舶设计方法与多学科设计优化方法，经概念设计和多目标优化，以较高效率和质量获得航行性能优异的最终方案。
　　通过对应用模式的特征拆解与分析，综合利用船舶和潜水器设计原理与规范，开展具备水上、水下航态和三体、单体形态的变体多航态船设计，总结出此类新概念船型的设计流程与分析方法，并验证不同航态与形态的浮性、稳性以及转换等合理可行，保留一定设计冗余，从功能实现和衡准限制角度给出可行但非优的初始方案。
　　围绕变体多航态船关键特征，确立变体机构相关的设计参数，以侧体纵向切削长度、收拢状态主/侧体中心纵向间距、展开状态主/侧体中心横向间距和艉封板纵向间距为设计变量，将多航态航行性能分解至稳性、浮性、快速性、耐波性和总布置五个学科，分别以GZ曲线下至30°角的面积（水上稳性）、水下初稳心高（水下稳性）、水下纵倾力矩、巡航速度下总阻力、迎浪巡航时单位波幅下纵摇运动响应最大幅值（共振）和设计变量间约束函数为状态变量，计及学科间耦合作用，以稳性、浮性和总布置为系统级约束，水上快速性、耐波性和额外的水下稳性为优化目标，明确优化模型的系统层次和数据传递形式，构建基于多学科可行方法的多目标优化框架。
　　根据学科和船型特征，明确各学科变量间的关联、设计参数与约束条件的范围以及优化目标的倾向，分别选用针对性方法进行各学科计算分析与合理表达。在初始方案的基础上，水上稳性直接通过建模分析，水下稳性和浮性依据装卸载荷原理分析，快速性和耐波性利用CFD方法分析，其中前三者经过全因子设计构建响应面模型，后两者经过优化拉丁超立方设计构建径向基神经网络模型，总布置学科则利用几何原理将设计变量间关系表示为显式函数。
　　利用Isight将优化框架和学科模型进行集成，以第二代非支配排序遗传算法搜索，实现对初始方案的多目标优化，并利用单目标优化进行对比验证，在Pareto前沿中以快速性优先的原则选取变体多航态船最终优化方案，较之初始方案，各方面航行性能均得到不同程度的提升。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 多航态船型研究现状

1．2．2 变体船型研究现状

1．2．3 船舶多学科设计优化研究现状

1．3 论文主要研究内容

第2章 初始方案设计

2．1 方案论证

2．1．1 需求分析

2．1．2 基本参数确定

2．1．3 船型方案论述

2．2 初始船型概念设计

2．2．1 耐压艇体设计

2．2．2 非耐压艇体设计

2．2．3 总布置设计

2．2．4 静水力参数计算

2．3 多航态平衡设计

2．3．1 浮性特点与设计流程分析

2．3．2 重量重心与固定浮容积估算

2．3．3 多航态平衡分析

2．4 多航态稳性校核

2．4．1 稳性衡准取用

2．4．2 舱容与压载计算

2．4．3 多航态稳性校核

2．5 本章小结

第3章 优化方法论证

3．1 多学科设计优化必要性

3．2 系统建模

3．3 近似方法

3．3．1 试验设计方法

3．3．2 近似模型方法

3．4 搜索策略

3．5 优化策略

3．6 集成框架

3．7 本章小结

第4章 学科设计与分析

4．1 设计变量取值分析

4．2 稳-陛学科分析

4．2．1 稳性指标与变量分析

4．2．2 多航态稳性计算方法分析

4．2．3 稳性学科设计要素汇总

4．3 浮性学科分析

4．3．1 浮性指标与变量分析

4．3．2 浮性计算方法分析

4．3．3 浮性学科设计要素汇总

4．4 快速性学科分析

4．4．1 快速性指标与变量分析

4．4．2 快速性数值模拟分析

4．4．3 快速性学科设计要素汇总

4．5 耐波性学科分析

4．5．1 耐波性指标与变量分析

4．5．2 试验波浪要素确定

4．5．3 耐波性仿真试验分析

4．5．4 耐波性学科设计要素汇总

4．6 总布置学科分析

4．6．1 总布置指标与变量分析

4．6．2 总布置约束分析

4．6．3 总布置学科设计要素汇总

4．7 本章小结

第5章 多学科多目标优化

5．1 试验设计与近似模型构建

5．1．1 稳性与浮性学科建模

5．1．2 快速性与耐波性学科建模

5．2 变体多航态船设计优化框架搭建

5．2．1 航行性能优化数学模型表达

5．2．2 优化模型构建与集成

5．3 多学科多目标设计优化

5．4 单目标优化对比验证

5．5 优化方案选取与评价

5．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢