MDO方法在水面舰船总体概念设计中的应用研究

摘要

总体设计是水面舰船设计的核心环节,是将舰船研制过程所涉及的总体布置、航行性能、结构、动力、电力、武器等学科进行综合权衡、集成优化的过程和方法。同时,水面舰船总体设计也是一个反复迭代、螺旋渐进的深化过程,在整个设计周期中概念设计阶段对于优化舰船总体性能、提升设计质量、控制风险具有极其重要的作用。然而,由于传统优化方法无法充分考虑复杂系统间的耦合效应,即使在设计经验丰富、设计输入明确的前提下,也难以在全局空间内获得总体最优的设计方案。20世纪90年代初,多学科设计优化作为一个新的研究领域,首先在航空航天工业界兴起,现已逐渐应用到其它领域。在舰船研制领域中,多学科设计优化方法已受到国内外学术界和设计人员的广泛关注,研究成果表明,通过采用合适的多学科优化策略,可充分利用各系统间的协同效应,从而获取整体最优的设计方案。然而,水面舰船总体设计的复杂性和耦合性更为突出,如舰船总体设计数学模型构建、船体型线参数化建模、总体方案综合效能评估等,使得多学科优化方法在水面舰船工程应用还面临较多的困难,在一定程度上限制了水面舰船实际工程中的进一步应用。对此,本论文围绕水面舰船总体概念设计这一关键问题,开展多学科设计优化方法的应用研究,重点探讨了多学科优化策略、船型自动变换技术、总体布局设计优化、近似优化策略等关键技术,建立了水面舰船概念设计的多学科优化模型,为在水面舰船总体设计中应用多学科设计优化方法提供思路和支撑。本文主要进行了以下方面的研究:1.分析对比了不同多学科优化方法的特性及在舰船总体设计中的适用性对MDF、CO、BLISS等多学科优化方法的思路与流程进行了较为全面的总结,结合数学算例,从求解效率、收敛率和稳定性等方面进行了对比分析;在此基础上,结合舰船组织结构特点,针对舰船总体设计具有多系统、多约束、多目标等特点,剖析了不同多学科设计优化方法的优缺点,以及其在舰船总体设计中应用的适用性。2.提出了面向目标分解的水面舰船总体设计框架及相应的优化算法多角度分析了水面舰船总体设计特点,探讨了设计过程中所存在的矛盾性、耦合性、复杂性;总结提出了面向设计过程、面向产品组成和面向目标分解等三种舰船总体设计的结构框架,并分析了各自身特点;重点针对面向目标的分解结构,探讨目标分解、协调与优化的过程与思路,分析目标分解多学科方法与该分解结构的适应性,并采用动态差异的增广拉格朗日松弛方法改进了目标分解优化方法,结合实例搭建了简化的船舶概念设计优化模型,验证了目标分解结构的有效性和优化算法的收敛性。3.建立了水面舰船的船型参数化模型及基于NURBS基函数的船型变换方法探讨了船型参数化建模的原理,针对具有方艉、球鼻艏、大外飘等特点的水面舰船,建立了主船体型线工程化的参数体系和参数化主船体曲面模型,分析提出了该方法面临参数众多且参数间存在相互影响的现象。改进了基于NURBS基函数的船型自由变换方法,提出了一种避免局部坐标转换求解的控制网格、节点矢量的高效设置方法,以及指定一个或多个型值点的船型自动变换算法,实现了利用少量控制点达到船型全局变换的目的,并通过实例验证了该方法的有效性。4.构建了水面舰船概念设计的主要学科分析模型围绕水面舰船概念设计,分别建立了静水力、快速性、耐波性、操纵性、总体布局和重量重心等六个学科的数学模型。其中,针对快速性等理论较为成熟的学科,分析提出了适合概念设计阶段的性能预报方法,并权衡计算精度和时间成本两方面因素,提出了数值仿真试验采样、响应面拟合的学科分析模型;针对总体布局、重量重心等依赖设计经验的学科,通过提炼与总结,建立了符合概念设计深度的数学模型,体现实际工程中总体布局学科对舰船概念设计优化的重要影响;同时,提出了与改进FFD船型变换方法相适应的静水力计算方法,可扩展对不同船型的适用性,并开发了相应的程序。5.验证了水面舰船概念设计多学科优化模型与改进方法的工程应用有效性系统分析了水面舰船概念设计的优化目标、总体约束、设计变量,采用层次分析法与多属性效用函数,提出了总体优化目标的综合效用函数;建立了基于响应面近似和目标分解方法的水面舰船概念设计多学科优化模型,并在ISIGHT环境下构建了集成优化平台,实现了目标分解优化过程与各学科分析模块的有机融合、数据接口的自动交互;通过实例优化分析与验证,表明本文提出的数学模型、相关算法及多学科设计优化方法在舰船总体概念设计中应用的有效性。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 立题背景及研究动机

1.2 水面舰船总体概念设计的内涵与挑战

1.3 船型设计技术的发展概述

1.4 多学科设计优化的基础理论与发展状况

1.5 主要研究内容

第二章 典型多学科设计优化方法的对比分析

2.1 引言

2.2 齿轮箱设计优化算例

2.3 带有耦合状态变量的六峰函数优化问题

2.4 典型MDO算法对比及舰船总体设计的适用性分析

2.5 本章小结

第三章 水面舰船分解结构及多学科设计优化方法改进研究

3.1 引言

3.2 水面舰船分解结构

3.3 基于目标分解的舰船多学科协调和优化框架

3.4 基于目标分解的舰船多学科优化算法

3.5 基于目标分解的典型舰船多学科优化模型与算例

3.6 本章小结

第四章 水面舰船型线自动变换技术

4.1 引言

4.2 船型参数化设计技术的应用与分析

4.3 基于NURBS基函数的船型自动变形方法

4.4 面向船型自动变形方法的静水力性能计算

4.5 本章小结

第五章 水面舰船概念设计各学科分析模型研究

5.1 引言

5.2 稳性等静力性能计算模型

5.3 航行性能分析

5.4 总体布局分析

5.5 重量重心分析

5.6 本章小结

第六章 基于近似策略和目标分解的舰船多学科设计优化

6.1 引言

6.2 舰船总体设计近似策略应用

6.3 水面舰船概念设计多学科优化模型

6.4 基于近似模型和目标分解的舰船概念设计优化

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 论文总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间获得的专利