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原文传递新型水面高速无人艇性能综合优化初步研究

论文题名：	新型水面高速无人艇性能综合优化初步研究
关键词：	水面高速无人艇;数值模拟;优化算法
摘要：	水面无人艇作为一种水面自航载体，具有体积小、航速高、智能控制等优点，并配有雷达、声纳、摄像机以及一些小型武器等设备，可以完成收集和传播信息、监视海洋情况、地形勘察、搜救、探测、导航和作战等多种任务，随着无人艇功能的增加，它已经被广泛应用于军事和民用领域。研究水面无人艇的快速性、耐波性、操纵性以及抗倾覆性对艇型设计和艇体的流体动力学性能分析都显得十分重要，而水面无人艇性能综合优化设计对无人艇的设计与研究有着不可替代的作用，国内外也越来越重视对该领域的研究。　　本文以一种新型水面高速无人艇艇型为研究对象，兼顾快速性、操纵性、耐波性和抗倾覆性能建立此类水面高速无人艇性能综合优化数学模型。将数学模型与优化算法接口，设计并编制出符合该水面高速无人艇的基于多种优化算法的综合优化软件。具体研究步骤总结如下：　　1.选取一种具有防飞溅条和水翼的滑行艇作为研究对象，根据防飞溅条尺寸、水翼尺寸、水翼位置和不同的艇型参数建立几何模型，并使用FINE/Marine软件进行网格划分和阻力计算，进而建立该类艇体的阻力数据库，并对不同艇体参数的水动力性能做对比分析。研究表明，加水翼或者防飞溅条都可以增加艇体的升力，使艇体更快的进入滑行状态，而同时加水翼和防飞溅条的艇体更能改善滑行艇的阻力性能。　　2.使用多项式响应面法，根据CFD阻力数据对该类艇体的总阻力、摩擦阻力、升力、静湿面积和静排水量进行多项式响应面公式拟合，从而为建立快速性优化数学模型提供基础。选取快速性优化设计变量，将海军系数作为快速性优化的评价函数，并构造其约束条件，最终建立快速性优化数学模型。　　3.基于系统辨识理论和多种优化算法的程序设计思想，完成该类艇体的回转运动、Z形运动和横摇运动的辨识软件设计，并结合该类艇体操纵性实验数据，进行辨识计算获得操纵性优化目标函数。选取操纵性优化设计变量，并选取直线稳定性衡准数、最小相对回转直径和转首指数共三个评价函数作为操纵性优化的目标函数，并构造其约束条件，建立操纵性优化数学模型。　　4.对该类艇体进行横摇运动试验，然后使用辨识软件对试验数据进行横摇辨识计算和分析，一方面得到了较佳的横摇运动方程，同时也验证了横摇辨识软件中算法的可靠性。使用响应面方法对纵摇有义值和垂荡有义值进行计算公式的拟合，进而实现对无人艇的纵摇有义值和垂荡有义值的预报。考虑到纵摇、垂荡和横摇的影响，选取无因次衰减系数、纵摇有义值和垂荡有义值作为耐波性系统的三个性能优化目标函数，并建立耐波性优化数学模型。研究了该艇体的稳性，分析了其倾覆后的受力情况，估算其倾覆后的初稳性高公式，最终选取正浮的初稳性高和翻转后的初稳性高作为抗倾覆性的优化目标函数，并建立抗倾覆性优化数学模型。　　5.综合船舶的快速性、操纵性、耐波性和抗倾覆性的优化数学模型，构造该类水面高速无人艇性能综合优化目标函数，根据约束条件设计其惩罚函数，最终构造出此类水面高速无人艇性能综合优化数学模型。分析各种智能优化算法的特征，用C＃语言编制遗传算法、混沌算法、粒子群算法和复合形算法，并结合并行和分层策略来提高算法的优化性能，同时通过不同的改进策略，构造更优的算法设计方案，最终设计并编制出符合该类水面高速无人艇，基于多种优化算法的综合优化软件。通过使用设计完成的优化软件，进行优化计算，最终通过设计不同优化方案来研究不同算法的优劣性。研究表明，成长机制遗传算法优于复合形算法优于粒子群算法优于混沌算法，且成长机制的遗传算法较轮盘机制的遗传算法更好，分层策略和并行策略可以有效的提高算法的搜索性能。通过大量的计算，最终得到较优的优化结果以及适合该优化系统的最优优化算法。
作者：	魏子凡
专业：	船舶与海洋工程
导师：	杨松林
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏科技大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文