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原文传递无人潜器总体方案设计的多学科优化方法研究

论文题名：	无人潜器总体方案设计的多学科优化方法研究
关键词：	无人智能潜器;总体设计;近似模型;多学科优化方法
摘要：	无人智能潜器是典型的多学科耦合的复杂工程系统。设计一艘无人智能潜器涉及到艇型、耐压结构、载体结构、能源选择、推进系统、操纵与控制方式等众多方面。传统的潜器设计，按照方案设计、初步设计等分阶段分学科顺序进行，设计过程中存在大量反复性的修改，并且由于缺乏学科间的均衡考虑可能失去系统的整体最优解，降低了潜器总体设计效率与性能。　　多学科设计优化能够充分利用不同学科之间的相互作用所产生的协同效应，是进行复杂系统优化设计的有效方法。从如何在潜器总体设计过程中考虑各学科间的权衡折衷和数据交流作为出发点，以潜深2000m航程100km的深海无人智能潜器的总体设计优化问题为研究目标，针对当前主流的金属材料框架式结构潜器，及较为新颖的有着良好应用前景的复合材料一体式结构潜器，本文进行了多学科设计优化方法的理论与应用研究。本文作出的主要工作有：　　 (1)考虑潜器总体设计包含的艇型、载体结构、耐压结构、能源选择、推进系统、总布置设计六大方面，介绍了阻力性能、结构性能、操纵性能、推进性能等主要学科的分析建模方法。分析了潜器设计中的学科耦合特点，并按照多学科优化的思想进行了系统分解，明确了系统与子系统、子系统之间的关系。　　 (2)研究了多学科设计优化的关键技术--近似模型技术。研究了试验设计方法及全局近似技术，根据系列耐压圆柱壳、球壳结构有限元分析结果，建立了强度和屈曲压力的结构性能近似模型；根据系列水滴型回转体数值计算结果，建立了潜器阻力性能近似计算模型，并通过模型试验进行了精度检验。　　 (3)研究了两种典型的多学科优化过程--同时分析与设计方法及协同优化方法，通过数学算例得出了各自的计算特点与适用范围。针对多个学科的多目标优化问题，本文研究了基于Pareto解的多目标遗传算法NSGA-Ⅱ，并将其与多学科设计优化过程相结合。应用多学科优化方法完成了潜器设计的两个典型实例：艇型能源的一体化设计、操纵性与快速性的综合优化设计。　　 (4)针对目标潜器设计了立体框架式结构方案，建立了能源系统设计、艇型设计、操纵面设计、耐压结构设计和框架结构设计，这五个子系统的分析优化数学模型，提出子系统的输入输出变量，并确立了系统级设计变量、优化目标及约束条件。根据同时分析与设计方法的思想，集成了耐压舱的结构分析、框架结构分析、艇型阻力性能分析的近似模型及操纵性能分析程序，完成了综合5个子系统的框架式潜器的总体多学科优化设计，得到满足任务书要求的最优设计结果。　　 (5)针对目标潜器设计了碳纤维复合材料一体式结构方案，研究了复合材料结构艇体的强度分析方法，建立了基于参数化的强度分析命令流。集成了能源系统设计、艇型设计、操纵面设计和艇体结构设计的分析计算模型，完成了复合材料一体式潜器的总体多学科优化设计，获得了满足任务书要求的最优设计结果。计算发现，较之金属材料框架式结构潜器，复合材料结构潜器的优势十分明显，而最终目标潜器也将采用碳纤维复合材料一体式的结构形式。　　结果表明，本文建立的潜器总体设计的多学科优化过程，涵盖了总体设计的主要内容，最优设计方案中能够同时给出能源需求、耐压结构参数、框架结构参数、艇型主尺度、舵面积等重要参数。优化过程不需要人为反复修改设计，仅通过控制和修改设计变量，在较短的时间内即可得到预期的优化结果，并且该方法具有一定的通用性和实用性。
作者：	杨卓懿
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	庞永杰
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文