基于多學科設計優(yōu)化方法的船舶水動力性能綜合優(yōu)化研究.pdf

1、傳統(tǒng)的船舶設計大多采用母型船改造的方法，僅僅追求某些主要的性能指標滿足要求，即使開展優(yōu)化設計，也是針對單個學科的某些指標進行，無法兼顧各學科多性能之間的協(xié)調平衡，無法使設計船舶的系統(tǒng)綜合性能達到最優(yōu)，這嚴重限制了船舶設計質量的提高。因此，目前的船舶設計迫切需要一種新的設計理論和方法作指導!
　　 隨著現代產品設計方法學的發(fā)展和成熟，以及計算機相關技術的進步，復雜工程產品的系統(tǒng)設計有了新的方法和模式。起源于航天、航空領域的多學科設

2、計優(yōu)化方法是先進設計方法學的典型代表。該方法可以充分利用各學科之間相互作用所產生的協(xié)同效應，獲得系統(tǒng)的整體最優(yōu)解，并通過實現并行設計來縮短設計周期，從而使研制出的產品更具有競爭力。
　　 目前該方法的基本理論發(fā)展得相對成熟，但具體應用到像船舶這樣的復雜工程產品上還有很大的困難，這主要是因為船舶自身還有很多關鍵問題沒有得到有效的解決，如系統(tǒng)建模技術、參數化主模型、學科視圖模型的生成機制等等，對這些關鍵問題的深入研究將有助于推動多學

3、科設計優(yōu)化方法在船舶領域的順利實施。
　　 基于上述分析，本論文重點圍繞船舶自身的關鍵問題開展研究工作。為降低問題的復雜程度，縮小研究范圍，本論文主要圍繞船體型線水動力性能的多學科設計優(yōu)化開展相關關鍵技術的研究。重點探討了船舶多學科設計優(yōu)化的特點及設計過程模型，旨在為船舶領域如何有效實施MDO提供思路。在此基礎上，從船體型線水動力性能綜合優(yōu)化的具體問題出發(fā)，研究了系統(tǒng)實現過程中所需要解決的基礎理論問題，最后建立了船體型線多學科設

4、計優(yōu)化平臺。論文的主要研究內容涉及以下六個方面：
　　 1.船舶變復雜度進化設計過程
　　 船舶設計是一個多學科、多目標、多變量和多約束的復雜工程問題。傳統(tǒng)的設計螺旋方法是船舶設計過程發(fā)展史上的一個重要模型，已經被廣大設計人員所認可。但傳統(tǒng)的設計螺旋更多是對設計步驟的說明而對于設計過程本身的描述并不完善。在分析船舶設計特點的基礎上，總結了傳統(tǒng)設計過程模型的不足之處，在此基礎上發(fā)展了基于MDO的船舶設計過程模型。為順利實施

5、多學科設計優(yōu)化方法，對船舶系統(tǒng)設計的本質進行了剖析，提出將進化設計的思想與變復雜度建模方法結合起來，發(fā)展成為變復雜度進化設計模式。
　　 2.船體型線參數化主模型的建立
　　 船舶多學科設計優(yōu)化過程中，各學科均要進行相應的仿真分析。為了確保各學科分析所需數據源的唯一性，必須建立船舶的主模型。本部分以船體型線的主模型建立為目標，提出為實現船舶水動力性能的綜合優(yōu)化，必須采用參數化技術建立船體型線的主模型。深入探討了船體型線的

6、參數化建模原理，并對現有的參數化建模方法進行了對比分析，在此基礎上提出了基于NURBS的船體曲面修改融合技術。
　　 3.船型水動力性能分析的視圖建模
　　 各學科在進行仿真分析時所需的學科視圖模型是不一致的，因此必須基于同一個主模型為水動力性能不同學科提供相應的學科視圖模型，這是實現自動優(yōu)化的關鍵。為實現此目標，提出了基于主模型進行水動力性能多學科視圖建模的思想，在實現途徑上主要是通過對主模型(IGES)文件進行解析和

7、轉換，并針對船舶阻力性能及耐波性能的學科視圖模型需求開發(fā)了模型生成器。
　　 4.綜合優(yōu)化數學模型的建立及系統(tǒng)重構
　　 為實現船型水動力性能綜合優(yōu)化，必須根據具體優(yōu)化問題建立優(yōu)化的數學模型。分別闡述了優(yōu)化變量、優(yōu)化目標及約束條件的選取及確定方法。針對優(yōu)化數學模型的求解，提出了多目標優(yōu)化的Pareto方法。分析了船型水動力性能優(yōu)化系統(tǒng)的結構，提出為提高優(yōu)化效率，必須對優(yōu)化系統(tǒng)進行重構。通過借鑒IDF模型，提出了基于Par

8、eto方法的系統(tǒng)重構方法，并分析了系統(tǒng)重構后的優(yōu)化流程。
　　 5.平臺開發(fā)及實例驗證
　　 為支持船舶變復雜度設計模式，同時也為了給工程設計人員提供便利環(huán)境，以進行船型的多學科設計優(yōu)化研究。重點以船型水動力性能綜合優(yōu)化的流程為基礎，研究了平臺實現過程中的數據集成和過程集成方法，在此基礎上開發(fā)了船體型線多學科設計優(yōu)化平臺。最后，以多個船舶優(yōu)化實例進行了驗證，結果表明該軟件平臺具有一定的工程實用價值。
　　 6.船