魚雷發(fā)動(dòng)機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化理論與應(yīng)用研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代海戰(zhàn)對(duì)武器裝備要求的不斷提高，魚雷發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中涉及到的學(xué)科及不同的學(xué)科分析技術(shù)也不斷增加，特別是魚雷熱動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化中，各學(xué)科自身繁重的學(xué)科分析及學(xué)科間的耦合，使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作更加復(fù)雜，串行設(shè)計(jì)方法及一體化設(shè)計(jì)方法由于自身的不足，越來越無法適應(yīng)日益復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。本文正是針對(duì)這一應(yīng)用背景而進(jìn)行研究的。本文通過構(gòu)造魚雷熱動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)整體設(shè)計(jì)框架及耦合因素的分析，基于系統(tǒng)論與并行思想，在國(guó)內(nèi)首次對(duì)魚雷發(fā)動(dòng)機(jī)的多學(xué)科

2、設(shè)計(jì)優(yōu)化(Multidisciplinary Design Optimization，MDO)方法與應(yīng)用進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。研究主要集中在魚雷熱動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)科分析理論與方法的應(yīng)用、熱動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)多學(xué)科劃分及耦合因素分析、多學(xué)科解耦-重構(gòu)策略以及在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐中如何運(yùn)用多學(xué)科設(shè)計(jì)技術(shù)等方面，以期能為魚雷熱動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化研究在理論研究及工程實(shí)踐階段的發(fā)展提供思路與參考。
　　本文的研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方

3、面：
　?。?）從魚雷熱動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)整體設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，討論其學(xué)科設(shè)計(jì)組成，根據(jù)學(xué)科間耦合關(guān)系和整體設(shè)計(jì)過程，構(gòu)建了熱力發(fā)動(dòng)機(jī)整體設(shè)計(jì)框架；將費(fèi)效比、風(fēng)險(xiǎn)及研制周期、可靠性引入到發(fā)動(dòng)機(jī)綜合設(shè)計(jì)中，建立了相應(yīng)的分析框架與模型，使發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與分析更全面合理；基于各學(xué)科相關(guān)分析理論與方法，進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)、模態(tài)、轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)、溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)、臨界轉(zhuǎn)速、周轉(zhuǎn)斜盤發(fā)動(dòng)機(jī)模糊故障樹等的分析計(jì)算。為實(shí)現(xiàn)魚雷熱力發(fā)動(dòng)機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

4、>　?。?）研究了魚雷熱動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的多學(xué)科劃分方法及其在發(fā)動(dòng)機(jī)MDO中的應(yīng)用，分析了學(xué)科間耦合因素；分別基于多學(xué)科可行性法(Multidisciplinary Feasible method，MDF)、協(xié)同優(yōu)化法(Collaborative Optimization，CO)、子空間近似法(Subspace Approximation Optimization method，SAO)、響應(yīng)面的并行子空間優(yōu)化法(Concurrent S

5、ubspace Optimization,CSSO)建立了發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化問題相應(yīng)的解耦-重構(gòu)框架及數(shù)學(xué)模型；研究了魚雷發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中多目標(biāo)問題的MDO方法：第一種是將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)，然后使用如MDF法、SAO法或基于博弈論的解耦與重構(gòu)等策略建立MDO模型進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化，第二種方式是基于準(zhǔn)可分原理與ATC法建立MDO模型進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化，第三種方式是基于協(xié)同遺傳進(jìn)化及Pareto的解耦與重構(gòu)進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化。為魚雷發(fā)動(dòng)機(jī)MDO提

6、供了理論基礎(chǔ)。
　?。?）提出了基于最優(yōu)模糊滿意度的ATC框架；提出了基于近似一致性約束邊界的ATC框架；構(gòu)建了非層級(jí)系統(tǒng)的ATC框架；提出了ATC-SAO系統(tǒng)解耦與重構(gòu)策略。考慮到變量的不確定性，將模糊滿意度引入 ATC法中，以最優(yōu)模糊滿意度代替子學(xué)科的優(yōu)化目標(biāo)，用水平截集對(duì)模糊約束與常規(guī)約束進(jìn)行轉(zhuǎn)化，構(gòu)建了基于最優(yōu)模糊滿意度的ATC框架。將近似技術(shù)引入ATC法中，利用一致性約束邊界的切平面近似該邊界，得到了近似一致性約束邊界的

7、ATC框架，提高了系統(tǒng)收斂精度和效率。構(gòu)建了非層級(jí)系統(tǒng)的ATC框架，使ATC法的應(yīng)用拓展到非層級(jí)系統(tǒng)中。根據(jù)ATC法與近似子空間法各自特點(diǎn)，將兩者結(jié)合構(gòu)建了ATC-SAO的系統(tǒng)解耦與重構(gòu)策略，能更好地適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際設(shè)計(jì)環(huán)境。
　?。?）研究了魚雷發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化的MDO應(yīng)用。研究了魚雷熱動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)科分析軟件及程序的iSIGHT集成方法，并基于此搭建可自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算迭代的相關(guān)多學(xué)科設(shè)計(jì)軟件框架；結(jié)合響應(yīng)面近似技術(shù)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，采用

8、不同MDO解耦-重構(gòu)策略，以擺盤式發(fā)動(dòng)機(jī)為例，分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體、活塞零件、活塞-連桿部件、熱力過程及費(fèi)用最小的可靠性最優(yōu)分配進(jìn)行了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái)構(gòu)建及優(yōu)化計(jì)算，在驗(yàn)證MDO優(yōu)化策略有效性及可行性的同時(shí)，為魚雷發(fā)動(dòng)機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化理論在工程實(shí)踐中的實(shí)現(xiàn)提供了新的思路和方法。優(yōu)化結(jié)果表明，文中所提出的各種方法能夠大大降低學(xué)科分析的計(jì)算復(fù)雜性，改善信息交換的復(fù)雜性，從而有效支持產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化，具有理論研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，為魚雷發(fā)動(dòng)機(jī)的