基于多学科设计优化方法的船舶水动力性能综合优化研究

摘要

传统的船舶设计大多采用母型船改造的方法，仅仅追求某些主要的性能指标满足要求，即使开展优化设计，也是针对单个学科的某些指标进行，无法兼顾各学科多性能之间的协调平衡，无法使设计船舶的系统综合性能达到最优，这严重限制了船舶设计质量的提高。因此，目前的船舶设计迫切需要一种新的设计理论和方法作指导!
　　 随着现代产品设计方法学的发展和成熟，以及计算机相关技术的进步，复杂工程产品的系统设计有了新的方法和模式。起源于航天、航空领域的多学科设计优化方法是先进设计方法学的典型代表。该方法可以充分利用各学科之间相互作用所产生的协同效应，获得系统的整体最优解，并通过实现并行设计来缩短设计周期，从而使研制出的产品更具有竞争力。
　　 目前该方法的基本理论发展得相对成熟，但具体应用到像船舶这样的复杂工程产品上还有很大的困难，这主要是因为船舶自身还有很多关键问题没有得到有效的解决，如系统建模技术、参数化主模型、学科视图模型的生成机制等等，对这些关键问题的深入研究将有助于推动多学科设计优化方法在船舶领域的顺利实施。
　　 基于上述分析，本论文重点围绕船舶自身的关键问题开展研究工作。为降低问题的复杂程度，缩小研究范围，本论文主要围绕船体型线水动力性能的多学科设计优化开展相关关键技术的研究。重点探讨了船舶多学科设计优化的特点及设计过程模型，旨在为船舶领域如何有效实施MDO提供思路。在此基础上，从船体型线水动力性能综合优化的具体问题出发，研究了系统实现过程中所需要解决的基础理论问题，最后建立了船体型线多学科设计优化平台。论文的主要研究内容涉及以下六个方面：
　　 1.船舶变复杂度进化设计过程
　　 船舶设计是一个多学科、多目标、多变量和多约束的复杂工程问题。传统的设计螺旋方法是船舶设计过程发展史上的一个重要模型，已经被广大设计人员所认可。但传统的设计螺旋更多是对设计步骤的说明而对于设计过程本身的描述并不完善。在分析船舶设计特点的基础上，总结了传统设计过程模型的不足之处，在此基础上发展了基于MDO的船舶设计过程模型。为顺利实施多学科设计优化方法，对船舶系统设计的本质进行了剖析，提出将进化设计的思想与变复杂度建模方法结合起来，发展成为变复杂度进化设计模式。
　　 2.船体型线参数化主模型的建立
　　 船舶多学科设计优化过程中，各学科均要进行相应的仿真分析。为了确保各学科分析所需数据源的唯一性，必须建立船舶的主模型。本部分以船体型线的主模型建立为目标，提出为实现船舶水动力性能的综合优化，必须采用参数化技术建立船体型线的主模型。深入探讨了船体型线的参数化建模原理，并对现有的参数化建模方法进行了对比分析，在此基础上提出了基于NURBS的船体曲面修改融合技术。
　　 3.船型水动力性能分析的视图建模
　　 各学科在进行仿真分析时所需的学科视图模型是不一致的，因此必须基于同一个主模型为水动力性能不同学科提供相应的学科视图模型，这是实现自动优化的关键。为实现此目标，提出了基于主模型进行水动力性能多学科视图建模的思想，在实现途径上主要是通过对主模型(IGES)文件进行解析和转换，并针对船舶阻力性能及耐波性能的学科视图模型需求开发了模型生成器。
　　 4.综合优化数学模型的建立及系统重构
　　 为实现船型水动力性能综合优化，必须根据具体优化问题建立优化的数学模型。分别阐述了优化变量、优化目标及约束条件的选取及确定方法。针对优化数学模型的求解，提出了多目标优化的Pareto方法。分析了船型水动力性能优化系统的结构，提出为提高优化效率，必须对优化系统进行重构。通过借鉴IDF模型，提出了基于Pareto方法的系统重构方法，并分析了系统重构后的优化流程。
　　 5.平台开发及实例验证
　　 为支持船舶变复杂度设计模式，同时也为了给工程设计人员提供便利环境，以进行船型的多学科设计优化研究。重点以船型水动力性能综合优化的流程为基础，研究了平台实现过程中的数据集成和过程集成方法，在此基础上开发了船体型线多学科设计优化平台。最后，以多个船舶优化实例进行了验证，结果表明该软件平台具有一定的工程实用价值。
　　 6.船型优化效率的提高
　　 为提高船型优化效率，结合船体型线多学科设计优化平台，提出了“人机结合”的思想。阐述了在线型优化开始前，应采用专家经验进行船型库的建立，同时依据专家经验进行初始优化解的设定。为获得全局最优方案，探讨了平台现有优化算法的不足之处，提出混合优化算法的研究思路，并进行了数值算例的验证。