無人潛器總體方案設(shè)計的多學(xué)科優(yōu)化方法研究.pdf

1、無人智能潛器是典型的多學(xué)科耦合的復(fù)雜工程系統(tǒng)。設(shè)計一艘無人智能潛器涉及到艇型、耐壓結(jié)構(gòu)、載體結(jié)構(gòu)、能源選擇、推進(jìn)系統(tǒng)、操縱與控制方式等眾多方面。傳統(tǒng)的潛器設(shè)計，按照方案設(shè)計、初步設(shè)計等分階段分學(xué)科順序進(jìn)行，設(shè)計過程中存在大量反復(fù)性的修改，并且由于缺乏學(xué)科間的均衡考慮可能失去系統(tǒng)的整體最優(yōu)解，降低了潛器總體設(shè)計效率與性能。
　　 多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化能夠充分利用不同學(xué)科之間的相互作用所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，是進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的有效方法。從

2、如何在潛器總體設(shè)計過程中考慮各學(xué)科間的權(quán)衡折衷和數(shù)據(jù)交流作為出發(fā)點(diǎn)，以潛深2000m航程100km的深海無人智能潛器的總體設(shè)計優(yōu)化問題為研究目標(biāo)，針對當(dāng)前主流的金屬材料框架式結(jié)構(gòu)潛器，及較為新穎的有著良好應(yīng)用前景的復(fù)合材料一體式結(jié)構(gòu)潛器，本文進(jìn)行了多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法的理論與應(yīng)用研究。本文作出的主要工作有：
　　 (1)考慮潛器總體設(shè)計包含的艇型、載體結(jié)構(gòu)、耐壓結(jié)構(gòu)、能源選擇、推進(jìn)系統(tǒng)、總布置設(shè)計六大方面，介紹了阻力性能、結(jié)構(gòu)性能

3、、操縱性能、推進(jìn)性能等主要學(xué)科的分析建模方法。分析了潛器設(shè)計中的學(xué)科耦合特點(diǎn)，并按照多學(xué)科優(yōu)化的思想進(jìn)行了系統(tǒng)分解，明確了系統(tǒng)與子系統(tǒng)、子系統(tǒng)之間的關(guān)系。
　　 (2)研究了多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)--近似模型技術(shù)。研究了試驗設(shè)計方法及全局近似技術(shù)，根據(jù)系列耐壓圓柱殼、球殼結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果，建立了強(qiáng)度和屈曲壓力的結(jié)構(gòu)性能近似模型；根據(jù)系列水滴型回轉(zhuǎn)體數(shù)值計算結(jié)果，建立了潛器阻力性能近似計算模型，并通過模型試驗進(jìn)行了精度檢驗。<

4、br>　　 (3)研究了兩種典型的多學(xué)科優(yōu)化過程--同時分析與設(shè)計方法及協(xié)同優(yōu)化方法，通過數(shù)學(xué)算例得出了各自的計算特點(diǎn)與適用范圍。針對多個學(xué)科的多目標(biāo)優(yōu)化問題，本文研究了基于Pareto解的多目標(biāo)遺傳算法NSGA-Ⅱ，并將其與多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化過程相結(jié)合。應(yīng)用多學(xué)科優(yōu)化方法完成了潛器設(shè)計的兩個典型實例：艇型能源的一體化設(shè)計、操縱性與快速性的綜合優(yōu)化設(shè)計。
　　 (4)針對目標(biāo)潛器設(shè)計了立體框架式結(jié)構(gòu)方案，建立了能源系統(tǒng)設(shè)計、艇型設(shè)

5、計、操縱面設(shè)計、耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計和框架結(jié)構(gòu)設(shè)計，這五個子系統(tǒng)的分析優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，提出子系統(tǒng)的輸入輸出變量，并確立了系統(tǒng)級設(shè)計變量、優(yōu)化目標(biāo)及約束條件。根據(jù)同時分析與設(shè)計方法的思想，集成了耐壓艙的結(jié)構(gòu)分析、框架結(jié)構(gòu)分析、艇型阻力性能分析的近似模型及操縱性能分析程序，完成了綜合5個子系統(tǒng)的框架式潛器的總體多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計，得到滿足任務(wù)書要求的最優(yōu)設(shè)計結(jié)果。
　　 (5)針對目標(biāo)潛器設(shè)計了碳纖維復(fù)合材料一體式結(jié)構(gòu)方案，研究了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)艇體

6、的強(qiáng)度分析方法，建立了基于參數(shù)化的強(qiáng)度分析命令流。集成了能源系統(tǒng)設(shè)計、艇型設(shè)計、操縱面設(shè)計和艇體結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析計算模型，完成了復(fù)合材料一體式潛器的總體多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計，獲得了滿足任務(wù)書要求的最優(yōu)設(shè)計結(jié)果。計算發(fā)現(xiàn)，較之金屬材料框架式結(jié)構(gòu)潛器，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)潛器的優(yōu)勢十分明顯，而最終目標(biāo)潛器也將采用碳纖維復(fù)合材料一體式的結(jié)構(gòu)形式。
　　 結(jié)果表明，本文建立的潛器總體設(shè)計的多學(xué)科優(yōu)化過程，涵蓋了總體設(shè)計的主要內(nèi)容，最優(yōu)設(shè)計方案中能夠同時