鱼雷发动机多学科设计优化理论与应用研究

摘要

随着现代海战对武器装备要求的不断提高，鱼雷发动机设计中涉及到的学科及不同的学科分析技术也不断增加，特别是鱼雷热动力发动机的设计优化中，各学科自身繁重的学科分析及学科间的耦合，使得产品的设计工作更加复杂，串行设计方法及一体化设计方法由于自身的不足，越来越无法适应日益复杂的发动机系统的设计工作。本文正是针对这一应用背景而进行研究的。本文通过构造鱼雷热动力发动机整体设计框架及耦合因素的分析，基于系统论与并行思想，在国内首次对鱼雷发动机的多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization，MDO)方法与应用进行了较为系统的研究。研究主要集中在鱼雷热动力发动机学科分析理论与方法的应用、热动力发动机多学科划分及耦合因素分析、多学科解耦-重构策略以及在发动机设计的工程实践中如何运用多学科设计技术等方面，以期能为鱼雷热动力发动机多学科设计优化研究在理论研究及工程实践阶段的发展提供思路与参考。
　　本文的研究工作和创新点主要体现在以下几个方面：
　　（1）从鱼雷热动力发动机整体设计的角度出发，讨论其学科设计组成，根据学科间耦合关系和整体设计过程，构建了热力发动机整体设计框架；将费效比、风险及研制周期、可靠性引入到发动机综合设计中，建立了相应的分析框架与模型，使发动机设计与分析更全面合理；基于各学科相关分析理论与方法，进行了动力学、模态、转子不平衡响应、温度场及应力场、临界转速、周转斜盘发动机模糊故障树等的分析计算。为实现鱼雷热力发动机多学科设计优化奠定了基础。
　　（2）研究了鱼雷热动力发动机设计的多学科划分方法及其在发动机MDO中的应用，分析了学科间耦合因素；分别基于多学科可行性法(Multidisciplinary Feasible method，MDF)、协同优化法(Collaborative Optimization，CO)、子空间近似法(Subspace Approximation Optimization method，SAO)、响应面的并行子空间优化法(Concurrent Subspace Optimization,CSSO)建立了发动机设计优化问题相应的解耦-重构框架及数学模型；研究了鱼雷发动机设计中多目标问题的MDO方法：第一种是将多目标转化为单目标，然后使用如MDF法、SAO法或基于博弈论的解耦与重构等策略建立MDO模型进行多学科设计优化，第二种方式是基于准可分原理与ATC法建立MDO模型进行多学科设计优化，第三种方式是基于协同遗传进化及Pareto的解耦与重构进行多学科设计优化。为鱼雷发动机MDO提供了理论基础。
　　（3）提出了基于最优模糊满意度的ATC框架；提出了基于近似一致性约束边界的ATC框架；构建了非层级系统的ATC框架；提出了ATC-SAO系统解耦与重构策略。考虑到变量的不确定性，将模糊满意度引入 ATC法中，以最优模糊满意度代替子学科的优化目标，用水平截集对模糊约束与常规约束进行转化，构建了基于最优模糊满意度的ATC框架。将近似技术引入ATC法中，利用一致性约束边界的切平面近似该边界，得到了近似一致性约束边界的ATC框架，提高了系统收敛精度和效率。构建了非层级系统的ATC框架，使ATC法的应用拓展到非层级系统中。根据ATC法与近似子空间法各自特点，将两者结合构建了ATC-SAO的系统解耦与重构策略，能更好地适应发动机的实际设计环境。
　　（4）研究了鱼雷发动机设计优化的MDO应用。研究了鱼雷热动力发动机学科分析软件及程序的iSIGHT集成方法，并基于此搭建可自动进行计算迭代的相关多学科设计软件框架；结合响应面近似技术和实验设计方法，采用不同MDO解耦-重构策略，以摆盘式发动机为例，分别对发动机整体、活塞零件、活塞-连杆部件、热力过程及费用最小的可靠性最优分配进行了多学科设计优化平台构建及优化计算，在验证MDO优化策略有效性及可行性的同时，为鱼雷发动机多学科设计优化理论在工程实践中的实现提供了新的思路和方法。优化结果表明，文中所提出的各种方法能够大大降低学科分析的计算复杂性，改善信息交换的复杂性，从而有效支持产品的设计优化，具有理论研究意义和实际应用价值，为鱼雷发动机的多学科设计优化研究奠定了基础。

目录

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英文摘要

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1 绪论

1.1 选题背景与意义

1.2 一体化设计与MDO的区别

1.3 国内外多学科设计优化技术的研究概况

1.4 鱼雷热力发动机MDO研究思路

1.5 本文研究思路及基本结构

2 鱼雷热动力发动机综合设计框架及方法研究

2.1 鱼雷热动力发动机设计的基本要求及主要机型

2.2 发动机整体设计框架研究

2.3 设计变量选取

2.4 设计优化目标选取

2.5 约束条件

2.6 基于可靠性分析的发动机综合设计

2.7 小结

3 鱼雷热动力发动机设计的各学科分析理论

3.1多体动力学分析[277]

3.2振动特性分析方法[280]

3.3 转子动力学分析方法[249,280-283]

3.4 静强度分析

3.5 热分析[280,284]

3.6 可靠性分析[285-288]

3.7 寿命分析[290-293]

3.8 热力过程分析[4,33,294-296]

3.9 流场分析理论

3.10 密封性分析

3.11 维修性、有效度、经济性、动力性、稳健设计及其他

3.12 小结

4 鱼雷热动力发动机MDO划分

4.1 系统MDO划分概述

4.2 鱼雷热动力发动机设计的MDO划分

4.3 小结

5 鱼雷热动力发动机系统的多学科解耦-重构

5.1 MDO解耦与重构方法

5.2 基于MDF的发动机多学科解耦-重构

5.3 基于CO的发动机多学科解耦-重构

5.4 基于SAO的发动机多学科解耦-重构

5.5 基于响应面的CSSO的发动机多学科解耦-重构

5.6 发动机多目标设计优化的MDO解耦-重构

5.7 小结

6 鱼雷热力发动机的ATC解耦-重构

6.1 目标级联法(ATC)

6.2 基于模糊满意度的目标级联法

6.3 非层级系统的ATC解耦-重构

6.4 基于近似一致性约束的目标协调法

6.5 基于ATC-SAO的系统解耦与重构

6.6 小结

7 鱼雷热力发动机设计优化的MDO应用

7.1 前言

7.2 iSIGHT的集成研究

7.3 Kriging近似方法及实验设计(DEO)

7.4 基于费用最小的鱼雷热动力发动机可靠性最优分配的ATC法

7.5 活塞的多学科设计优化

7.6 活塞-连杆部件的多学科设计优化

7.7 摆盘式发动机整机多学科设计优化

7.8 小结

8 结论

8.1 研究工作总结

8.2 后继工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况

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