船用柴油机关键件多学科设计优化方法研究

摘要

随着现代船舶对船用柴油机综合性能要求的提高，要求在其设计开发过程中综合考虑各学科之间的耦合，提高船用柴油机的整体设计水平。本文针对船用柴油机关键件设计优化问题，结合复杂系统建模理论，构建了基于多学科设计优化(Multidisciplinary DesignOptimization，MDO)的船用柴油机关键件多学科协同设计总体技术框架，对其涉及的复杂系统建模与分解、多学科优化模型处理、多目标优化决策等关键技术问题进行了研究。在此基础上，结合CAD/CAE/CAO一体化集成的产品协同设计思想，开发了面向船用柴油机多学科设计优化的快速设计集成系统平台，从而有效地支持我国船用柴油机的设计和开发过程。
　　论文开展的主要研究内容和成果包括:
　　(1)基于复杂系统建模理论，提出了船用柴油机关键件多学科协同设计优化总体技术框架，分析了相关关键技术，并建立了多层次的船用柴油机关键件多学科设计优化模型及其求解策略。分析了船用柴油机结构设计涉及的结构强度、振动和热学等学科设计要求，并从“产品级-系统级-部件级-零件级”四个层次对其结构设计的性能耦合与设计分析手段进行解析。
　　(2)针对复杂系统多学科设计优化的学科分析模型的精度问题，提出了考虑复杂结构结合面特性的多学科性能精细化仿真建模方法，并通过静、动力学实验对组合结构的非线性特性进行了系统研究;针对仿真分析模型的可重用性问题，提出了基于主模型的MDO多视图建模方法，实现了基于多视图模型的船用柴油机关键件多学科设计优化。
　　(3)针对多学科设计优化的效率和精度的协调问题，提出了基于数据挖掘和知识发现的多学科优化模型约简方法。结合试验设计和代理模型技术，完成了柴油机运动机构多学科优化模型的简化，实现了船用柴油机等复杂产品多学科优化过程的精度和效率的有效协调。
　　(4)针对多学科设计优化中的目标决策问题，对经典的多目标进化算法进行了比较研究，选取典型测试函数对其Pareto最优化解集的分布性、鲁棒性和运行效率等性能进行综合了评价;提出了基于稳健性设计的多目标组合优化策略，提高了优化算法的搜索效率和优化解的可行性。以船用柴油机凸轮机构的优化设计为对象，验证了多目标优化策略和优化目标决策方法的有效性。
　　(5)针对船用柴油机多学科设计优化的多学科协同和过程集成问题，提出了面向多学科设计优化过程的CAD/CAE/CAO一体化集成技术，开发了船用柴油机多学科设计优化系统平台，实现了复杂产品多学科设计优化过程的集成和模型重用，优化了国内船用柴油机制造企业的设计开发模式。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的背景及意义

1．2 多学科设计优化相关技术国内外研究现状

1．2．1 MOO理论及方法研究现状

1．2．2 MDO建模及模型处理技术研究现状

1．2．3 多目标设计优化技术研究现状

1．2．4 MDO技术工程应用现状

1．3 船用柴油机关键件多学科设计优化的研究现状分析

1．3．1 船用柴油机关键件设计优化技术发展现状

1．3．2 船用柴油机多学科设计优化技术需求分析

1．4 论文组织结构和主要内容

1．4．1 论文组织结构

1．4．2 论文的主要研究内容

1．5 本章小结

第二章 基于复杂系统建模理论的柴油机MDO建模与分析

2．1 引言

2．2 基于复杂系统建模理论的船用柴油机MDO理论分析

2．2．1 复杂系统多学科设计优化数学模型

2．2．2 复杂系统多学科设计优化的规划与求解策略

2．2．3 船用柴油机关键件多学科设计优化过程的特点

2．2．4 基于复杂系统建模理论的船用柴油机关键件MDO技术体系设计

2．2．5 船用柴油机关键件多学科设计优化技术构成

2．3 面向多层次的船用柴油机关键件MDO学科关系解析与建模

2．3．1 面向多层次的船用柴油机设计的学科关系解析

2．3．2 柴油机关键件多学科设计优化建模与求解

2．3．3 面向MDO的船用柴油机关键件多学科性能分析

2．4 本章小结

第三章 面向柴油机MDO的精细化仿真建模及多视图模型设计

3．1 引言

3．2 有限元仿真误差理论分析

3．3 柴油机单一结构精细仿真建模方法研究

3．3．1 单一结构静动力学的实验设计

3．3．2 仿真模型的构建方法

3．4 柴油机组合结构动力学精细仿真建模方法研究

3．4．1 螺栓组合结构的动力学仿真建模方法

3．4．2 船用柴油机连杆结构仿真建模方法及分析

3．5 组合结构非线性研究及特性分析

3．5．1 预紧力对结合面动态特性影响分析

3．5．2 外部激励对结合面动态特性影响分析

3．5．3 基于能量耗散理论的结合面非线性分析

3．6 面向船用柴油机多学科设计优化的多视图建模及实现

3．6．1 船用柴油机多学科主模型

3．6．2 面向船用柴油机多学科优化过程的多视图模型

3．6．3 基于多视图模型的船用柴油机多学科优化过程实现

3．6．4 船用柴油机MDO多视图模型重用及过程重构

3．7 本章小结

第四章 基于数据挖掘与代理模型的柴油机MDO模型约简技术研究

4．1 引言

4．2 面向柴油机MDO的知识发现与模型约简

4．3 面向船用柴油机多学科设计优化的数据挖掘与知识发现

4．3．1 基于数据挖掘的多学科知识发现和约简模式

4．3．2 船用柴油机多学科设计优化知识表达

4．3．3 船用柴油机多学科设计优化知识约简与数据挖掘

4．3．4 柴油机连杆多学科设计优化数据挖掘与知识约简实例

4．4 面向柴油机多学科设计优化的代理模型设计

4．4．1 典型代理模型

4．4．2 面向MOO的柴油机连杆代理模型设计及其精度分析

4．5 基于模型约简的柴油机运动机构多学科协同设计优化

4．5．1 优化对象分析

4．5．2 柴油机曲轴-连杆-活塞优化设计学科分解

4．5．3 多学科优化问题建模

4．5．4 优化结果分析

4．6 本章小结

第五章 基于稳健性设计的船用柴油机多目标组合优化问题研究

5．1 引言

5．2 船用柴油机关键件多目标优化分析与建模

5．2．1 多目标问题的数学模型

5．2．2 多目标优化问题中的基本概念

5．2．3 船用柴油机配气机构的多学科性能分析

5．2．4 船用柴油机配气凸轮线型多目标优化建模

5．3 基于稳健性设计的多目标算法设计及其组合优化策略

5．3．1 多目标遗传算法原理分析

5．3．2 算法比较及分析

5．3．3 基于稳健性设计的多目标组合优化策略设计

5．4 基于稳健性设计的船用柴油机配气凸轮多目标优化结果分析

5．4．1 基于多目标组合优化策略的凸轮线型优化分析

5．4．2 凸轮线型优化过程的稳健性设计

5．4．3 优化结果分析验证

5．5 本章小结

第六章 船用柴油机关键件多学科优化集成平台设计与开发

6．1 引言

6．2 平台的开发工具及环境

6．3 平台的总体结构设计

6．4 平台的功能模块设计

6．5 平台相关技术实现

6．5．1 多学科设计优化过程的CAD／CAE／CAO一体化集成

6．5．2 多学科协同开发过程的规划与管理

6．5．3 多学科设计优化知识检索和重用

6．6 船用柴油机多学科优化集成平台运行实例

6．7 本章小结

第七章 研究结论及展望

7．1 研究结论

7．2 展望

致谢

参考文献

作者简介