序列協(xié)同優(yōu)化方法在深?？臻g站結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.pdf

1、深?？臻g站是一種新概念的大型載人深潛裝備，它為人類更好的探測(cè)和開(kāi)發(fā)海洋提供了一個(gè)廣闊的平臺(tái)。深?？臻g站的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要由耐壓殼、外部結(jié)構(gòu)和輕外殼等組成，是深?？臻g站最重要的分系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，耐壓殼、外部結(jié)構(gòu)和輕外殼等子系統(tǒng)是單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，并且往往側(cè)重于耐壓殼的性能分析和評(píng)估，忽視了外部結(jié)構(gòu)和輕外殼的設(shè)計(jì)。而后兩者對(duì)于深?？臻g站的總體性能同樣具有重要的影響。耐壓殼、外部結(jié)構(gòu)和輕外殼的設(shè)計(jì)又是相互依賴和相互影響的。因此，對(duì)于深海空

2、間的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，必須將其作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。但這也帶來(lái)了一個(gè)涉及結(jié)構(gòu)力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)等多個(gè)學(xué)科內(nèi)容的復(fù)雜工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。從航空航天領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化為解決這一難題提供了一條有效的途徑。
　　 本文作為國(guó)防科工委“十一五”重大基礎(chǔ)研究專項(xiàng)的部分研究?jī)?nèi)容，對(duì)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化在深?？臻g站結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索，利用本文提出的序列協(xié)同優(yōu)化方法完成了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法、耐壓殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的協(xié)

3、同優(yōu)化進(jìn)行了研究，主要完成了以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：
　　 (1)對(duì)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行了綜述，詳細(xì)介紹了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化提出的背景、研究概況及研究的主要內(nèi)容，并對(duì)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法進(jìn)行了重點(diǎn)描述。
　　 (2)詳細(xì)介紹了協(xié)同優(yōu)化方法的基本思想、框架結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型和靈敏度分析原理，對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了闡述，并分析了其產(chǎn)生計(jì)算困難的原因，同時(shí)還列舉了幾種常見(jiàn)的改進(jìn)措施。通過(guò)對(duì)采用L1范數(shù)形式一致性約束的協(xié)同優(yōu)化方法進(jìn)行分析和改造，提出

4、了序列協(xié)同優(yōu)化方法(SCO)。其主要思想是，在系統(tǒng)級(jí)每一步迭代中對(duì)L1范數(shù)形式一致性約束進(jìn)行改造，通過(guò)引入附加約束來(lái)去除一致性約束中的絕對(duì)值符號(hào)，消除了一致性約束的非光滑性，并有效的縮小了子系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題的設(shè)計(jì)空間，大大降低了陷入局部最優(yōu)解的概率。結(jié)合數(shù)值算例，本文將SCO與標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同優(yōu)化方法進(jìn)行了比較。
　　 (3)對(duì)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化中的近似技術(shù)進(jìn)行了研究，分別對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法及響應(yīng)面、徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Kriging等近似方法作了詳細(xì)

5、介紹。結(jié)合數(shù)值算例和加筋板屈曲問(wèn)題，采用三種近似方法建立了相應(yīng)的近似模型，并通過(guò)誤差分析，對(duì)近似模型的性能進(jìn)行評(píng)估和比較。
　　 (4)對(duì)多球交接耐壓殼的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了研究。詳細(xì)介紹了多球交接耐壓殼的結(jié)構(gòu)形式和幾何模型，利用非線性有限元方法和Kriging近似模型，并對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在對(duì)非線性有限元結(jié)果進(jìn)行觀察和分析的基礎(chǔ)上，提出了多球交接耐壓殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，并針對(duì)不同材料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。此外，本文還對(duì)

6、多球交接耐壓殼的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了推廣，提出了幾種新型的球殼交接方式。
　　 (5)將深海空間站結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化劃分為耐壓殼、外部結(jié)構(gòu)、輕外殼和性能四個(gè)子系統(tǒng)，分別對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，建立了相應(yīng)的子系統(tǒng)分析模型，明確了各子系統(tǒng)的輸入輸出，編制了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序。
　　 (6)建立了深?？臻g站結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化框架，對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各組成部分的具體結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行了介紹，利用序列協(xié)同優(yōu)化方法和Kriging近似模型，對(duì)其

7、進(jìn)行了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化，得到了優(yōu)化結(jié)果。
　　 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：
　　 (1)首次將多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法應(yīng)用于深?？臻g站結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，建立了各子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并將其嵌入到協(xié)同優(yōu)化的框架中，驗(yàn)證了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)于復(fù)雜深海結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的適用性。
　　 (2)在對(duì)協(xié)同優(yōu)化方法深入研究和分析的基礎(chǔ)上，首次提出了序列協(xié)同優(yōu)化方法。通過(guò)對(duì)厶范數(shù)形式一致性約束進(jìn)行改造，有效降低了子系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化問(wèn)題的求解難度，消除了

8、一致性約束的非光滑性，在一定程度上提高了協(xié)同優(yōu)化的性能。
　　 (3)通過(guò)對(duì)多球交接耐壓殼的非線性有限元分析，指出多球交接耐壓殼的兩種典型破壞模式，并分析了造成破壞的原因。在此基礎(chǔ)上，建立了多球交接耐壓殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題的簡(jiǎn)化公式。
　　 多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化是一門新興的學(xué)科，而它在復(fù)雜深海結(jié)構(gòu)物（包括深海空間站）結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用才剛剛起步，其研究還有待深入，這主要包括：
　　 (1)本文雖然對(duì)序列協(xié)同優(yōu)化方法進(jìn)行了測(cè)

9、試，但其理論分析還不夠系統(tǒng)和全面，其收斂性能還有待于進(jìn)一步的考察和證實(shí)。同時(shí)，對(duì)于L1范數(shù)形式一致性約束的其它方式的改造有可能會(huì)產(chǎn)生更好的效果，這也是今后研究工作一個(gè)思路。
　　 (2)由于對(duì)深海空間站總體設(shè)計(jì)的信息掌握較少，本文對(duì)外部結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)進(jìn)行了大量的假設(shè)和簡(jiǎn)化，僅對(duì)吊放工況進(jìn)行了分析。在將來(lái)的研究中，應(yīng)當(dāng)將深海空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與總體設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，作為一個(gè)整體進(jìn)行詳細(xì)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化。
　　 (3)本文假設(shè)深海空

10、間站的輕外殼具有水滴型回轉(zhuǎn)體形狀，并采用經(jīng)驗(yàn)公式估算其水下運(yùn)動(dòng)阻力。在將來(lái)的研究中，可以采用CFD方法，對(duì)深海空間站的外部形狀建立三維模型進(jìn)行流場(chǎng)模擬。
　　 (4)本文僅對(duì)協(xié)同優(yōu)化方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究，但CSSO和BLISS等多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法同樣具有較高的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價(jià)值。對(duì)于這幾種多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法究竟哪一種更適合復(fù)雜深海結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也有待于進(jìn)一步深入的研究。
　　 (5)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的發(fā)展趨勢(shì)是分布式