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原文传递基于物理规划的多目标多学科优化方法及其在船舶设计优化中的应用

论文题名：	基于物理规划的多目标多学科优化方法及其在船舶设计优化中的应用
关键词：	物理规划;多学科优化方法;船舶设计;分级目标传递法
摘要：	船舶是水上运输的重要工具，随着海洋资源的大力开发，船舶的作用日益凸显，同时船舶又是国防建设的重要力量。因此，船舶科技的发展引起了国家的高度重视。船舶是大规模系统化的工程项目，涉及多个学科和多个目标，包含多种矛盾，具有多重属性。传统的船舶设计和优化方法未充分考虑各个子学科间的耦合作用和多个目标间的矛盾冲突，难以得到系统整体最优的方案。在这样的背景下，本文针对船舶设计的复杂性和传统船舶设计优化的不足，着重进行多学科设计优化方法和多目标优化算法的研究与改进，然后进一步研究多目标多学科优化方法，考虑船舶各学科间的耦合作用，实现各学科间的并行优化，提高优化效率和质量，同时处理多目标问题，平衡多个目标之间的冲突和矛盾，生成高分布质量的 Pareto前沿，得到船舶系统整体最优的设计方案。论文的研究内容主要体现在以下几个方面：　　1.物理规划的研究与改进。　　物理规划的核心是偏好函数，现有的偏好函数难以同时满足光顺性和对偏好区间的适应性，并且未对超出偏好区间上限的情况进行有效处理，影响了优化效果。论文对偏好函数进行了三方面改进：（1）扩展其阶次；（2）选择光顺性度量，通过优化来选取合适的阶次和斜率参数，提高其光顺性，降低其导数变化程度，以改善其在优化中的应用效果；（3）扩展其在偏好区间上限以外区域的表达。通过以上改进，提高了偏好函数的光顺性，降低了其导数变化程度，扩展了其表达区域，从而有效改善了物理规划在优化中的应用效果和范围。　　2.提出了基于物理规划和动态偏好区间的分级目标传递法（ATC-PP-DYN）。　　通过综合分析比较目前的多学科设计优化方法，选取分级目标传递法（ATC）来实现学科间的解耦，进而对ATC和基于物理规划的分级目标传递法进行改进，提出了ATC-PP-DYN方法，具体思路为：采用物理规划来处理一致性误差；应用改进的物理规划来改善优化效果；提出动态偏好区间技术，在优化过程中根据实际需求来控制一致性误差偏好区间的大小及变化快慢，有效提高了优化效率和质量。ATC-PP-DYN尤其适用于复杂的工程实际问题，随着问题的复杂性提高，其优势会愈加明显，具有很高的实用价值。　　3.改进了基于物理规划的多目标优化算法（MOOA-PP）。　　MOOA-PP方法可以得到均匀分布的Pareto前沿，但其Pareto解个数不能随意设定，伪偏好结构的搜索位置分布不均和搜索范围有限，影响了其在工程实际中的应用。本文从三方面对其进行了改进，包括（1）应用改进的物理规划来改善优化效果；（2）采用切割法和遗传算法对混料均匀试验设计进行改进，进而将其应用到 MOOA-PP中来实现 Pareto解个数的任意设定和伪偏好结构搜索位置的均匀分布；（3）提出转动伪偏好结构技术，对伪偏好结构进行任意角度的转动，使其可以搜索整个目标空间，提高优化质量。改进后的 MOOA-PP可以有效应用于船舶工程领域，人工控制 Pareto解的数量及分布密度，生成高分布质量的Pareto前沿。　　4.提出了基于物理规划的多目标分级目标传递法（MOATC-PP）。　　在目前的研究中，仍缺少有效的方法来解决学科间的耦合和目标间的矛盾冲突，以得到高分布质量的Pareto前沿。为此，本文提出了MOATC-PP方法，采用ATC-PP-DYN方法解决学科间的耦合问题，采用改进的MOOA-PP解决目标间的矛盾冲突。其优势主要体现在：（1）可以生成高分布质量的Pareto前沿；（2）可以大大提高优化效率，有效应用于工程实际；（3）尤其适用于复杂的工程实际优化问题，随着问题的复杂性提高，MOATC-PP方法的优势会愈加明显，具有很高的理论和实用价值。　　5.进行了船舶水动力性能和结构性能综合优化。　　目前国内外进行的船舶优化，其优化模型较简单，难以满足工程需求。本文进行船舶水动力性能和结构性能综合优化，搭建船舶综合优化平台，考虑阻力、耐波、操纵、结构四个学科，同时进行船型和结构构件优化。此优化模型更加复杂且贴近船舶优化实际，采用本文提出的MOATC-PP可以高效得到高分布质量的 Pareto前沿。船舶水动力性能和结构性能综合优化充分显示了MOATC-PP方法的优越性。
作者：	郝寨柳
专业：	流体力学
导师：	刘祖源;冯佰威
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文