多学科优化设计在水下无人航行器设计中的应用研究

摘要

水下无人航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）是具有典型多学科特性的高技术集成系统。在其设计与优化过程中，需要考虑艇型、结构、能源、推进、操纵、控制及总布置等诸多学科的因素影响。传统的螺旋设计模式人为地忽视了学科间的协同与制约效应，大大地降低了 UUV总体设计效率和性能。多学科优化设计（Multidisciplinary design optimization，MDO）能充分考虑整体与学科、学科与学科之间的耦合关系，以并行的方式组织管理整个设计过程，协调解决设计过程中出现的矛盾，可以在较短的时间内获得系统最优设计方案。本文以某小型海底地形地貌探测水下无人航行器为研究对象，引入多学科优化设计的现代设计模式，展开了多学科优化设计方法在UUV设计领域中的应用研究。论文主要完成了以下工作： （1）在对三种经典近似模型的对比分析的基础上，进行了多参数径向基神经网络解耦近似模型（RBF-HDMR）的拟合精度研究。选取了代表不同类型的工程问题的数学算例，研究了二阶响应面模型、克里金模型（Kriging）和径向基函数模型所构建出的近似模型的预测精度；另选取了三种高维非线性数值算例和UUV设计领域中耐压壳的可靠性优化与设计案例，研究了RBF-HDMR解耦近似模型对高维非线性问题的预测精度和工程实用性。 （2）在并行子空间设计方法（Concurrent Subspace Design，CSD）的基础上结合不确定性分析方法和优化算法，展开了不确定性多学科优化设计方法的研究。提出了基于并行子空间设计的不确定性多学科优化设计方法；通过对减速器和UUV艇型推进能源一体化设计两个工程算例，测试了该方法的多学科可靠性优化设计和稳健多学科可靠性优化设计能力。 （3）研究了水下无人航行器的学科分解与参数化建模分析方法。根据设计分工和工程实践特点把UUV总体设计分解为7个子学科；分析总结了各学科的建模与分析方法，并重点研究了大潜深耐压圆柱壳的设计分析方法、碳纤维艇体结构的建模与分析方法和碳纤维螺旋桨性能的流固耦合分析方法；理清了系统级与学科级、各学科之间的变量传递关系和耦合关系。 （4）根据水下无人航行器的特点，提出了UUV总体设计性能评估方法。分析水下无人航行器的功能用途和各个学科的技术性能指标，引入改进模糊层次分析法，提出了更科学、客观的反映UUV总体设计性能的评价方法。 （5）对UUV总体设计方案进行了确定性多学科优化设计研究。对艇型学科、耐压壳结构学科和推进系统学科三个典型学科进行了单学科优化分析；选取CSD的多学科优化设计方法，综合考虑艇型、结构、能源、推进、操纵性、总布置等学科之间的耦合关系，并结合UUV总体设计性能评估方法协调各学科内的性能指标，采用三种优化算法完成了UUV总体设计领域的确定性多学科优化设计应用研究。 （6）在确定性多学科优化设计的基础上，继续对UUV总体设计方案进行了不确定性多学科优化设计研究。结合蒙特卡洛法（Monte Carlo Simulation，MCS）建立了基于CSD-MCS的UUV多学科可靠性优化设计分析方法，完成了UUV的多学科可靠性优化设计应用研究；建立了基于CSD-MCS的UUV可靠性稳健多学科分析方法，进一步完成了UUV的多学科可靠性稳健优化设计应用研究；最后根据确定性多学科优化设计和不确定性多学科优化设计结果，完成了该UUV的总体设计方案。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 UUV发展历程与现状

1.3 UUV总体设计模式

1.4UUV总体多学科优化设计的研究现状

1.5 UUV总体多学科优化设计的研究内容

1.6 论文的主要研究工作

第2章 RBF-HDMR解耦近似模型性能研究

2.1 前言

2.2试验设计方法

2.3近似模型

2.4近似模型的预测精度与经典近似模型分析

2.5 RBF-HDMR解耦近似模型

2.6 基于RBF-HDMR解耦式近似模型与经典近似模型对比分析

2.7 本章小结

第3章 基于CSD的不确定性多学科优化方法研究

3.1 前言

3.2不确定性优化设计

3.3不确定性条件下多学科优化设计

3.4 多学科优化设计算法

3.5 基于CSD的不确定性多学科优化方法

3.6 多学科优化设计方法测试与分析

3.7 本章小结

第4章 水下无人航行器学科设计与参数化建模分析

4.1 前言

4.2 UUV多学科优化设计学科分解

4.3 艇型学科分析

4.4 结构学科分析

4.5 推进学科分析

4.6 能源学科分析

4.7 操纵性学科分析

4.8 总布置学科分析

4.9水下无人航行器总体设计中的学科耦合关系

4.10 本章小结

第5章 水下无人航行器总体设计性能评估分析

5.1 前言

5.2改进的模糊层次分析法

5.3基于改进模糊层次分析法的UUV总体设计性能评估方法

5.4底层指标性能值确定

5.5 UUV总体设计性能评估算例分析

5.6 本章小结

第6章 基于CSD的UUV的确定性多学科优化设计

6.1 前言

6.2 UUV总体设计多学科优化模型

6.3 典型学科优化

6.4基于CSD的UUV的确定性多学科优化设计

6.5 本章小结

第7章 基于CSD的UUV的不确定性多学科优化分析

7.1 前言

7.2 UUV设计过程中不确定因素建模

7.3基于CSD的UUV的UMDO分析

7.4 UUV总体设计最终方案

7.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢