載人潛水器多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法及其應(yīng)用研究.pdf

1、載人潛水器是一種技術(shù)密度高、涉及學(xué)科面廣的復(fù)雜工程系統(tǒng)，涵蓋多個(gè)學(xué)科內(nèi)容，不僅包括傳統(tǒng)的水動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、推進(jìn)理論、操縱和控制理論等，也包括現(xiàn)代的人機(jī)工程學(xué)等，每個(gè)學(xué)科又包含很多分支，載人潛水器的設(shè)計(jì)具有明顯的“多學(xué)科”特點(diǎn)。隨著結(jié)構(gòu)、水動(dòng)力、控制等學(xué)科理論不斷完善，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們能夠采用更高精度的模型進(jìn)行學(xué)科分析與設(shè)計(jì)，各學(xué)科設(shè)計(jì)均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。然而，與各學(xué)科或子系統(tǒng)設(shè)計(jì)蓬勃發(fā)展形成強(qiáng)烈對(duì)比的是，長(zhǎng)期以來(lái)，潛水器總體

2、設(shè)計(jì)方法的發(fā)展一直停滯不前，其理論落后、方法陳舊，雖然這些理論和方法在過(guò)去數(shù)十年發(fā)揮了極其重要的作用，為潛水器技術(shù)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，但是它們忽視工程系統(tǒng)中各學(xué)科之間的耦合效應(yīng)、不能充分利用學(xué)科的發(fā)展成果、低效、耗時(shí)且成本高昂，這一系列固有缺陷決定了它們已無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代潛水器發(fā)展的迫切需要。 在這種情況下，本文引入在航空領(lǐng)域迅速發(fā)展起來(lái)的解決復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法(Multidisciplinary Desig

3、n Optimization，MDO)，探討多學(xué)科優(yōu)化方法在載人潛水器設(shè)計(jì)中應(yīng)用的可行性和適用性。以多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化算法及其在載人潛水器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用為核心。主要工作包括以下幾個(gè)方面： 1.系統(tǒng)回顧和總結(jié)了現(xiàn)有多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。 分析了載人潛水器設(shè)計(jì)過(guò)程中所涉及的優(yōu)化問(wèn)題及其可能的解決方法。對(duì)現(xiàn)有多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法進(jìn)行了綜述。重點(diǎn)描述了三種分布式多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的產(chǎn)生、發(fā)展及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況，介紹了各方法的計(jì)算框

4、架，并分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)和適用情況。 2.系統(tǒng)深入地研究了多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化方法。 協(xié)同優(yōu)化方法是一種有效的多學(xué)科優(yōu)化方法，其設(shè)計(jì)思想、計(jì)算框架與現(xiàn)有載人潛水器的設(shè)計(jì)組織形式相吻合，在載人潛水器設(shè)計(jì)中最具潛力。 (1)詳細(xì)介紹了協(xié)同優(yōu)化方法的設(shè)計(jì)思想、計(jì)算框架、數(shù)學(xué)描述形式和求解步驟，指出協(xié)同優(yōu)化方法存在的計(jì)算困難問(wèn)題，并分析了產(chǎn)生計(jì)算困難的原因。 (2)通過(guò)一個(gè)典型的數(shù)值算例，對(duì)現(xiàn)有幾種改進(jìn)型協(xié)同優(yōu)化方法的

5、計(jì)算性能進(jìn)行了比較研究，研究結(jié)果表明，基于現(xiàn)代優(yōu)化算法——遺傳算法的協(xié)同優(yōu)化計(jì)算性能最為穩(wěn)定，可靠性最高。 3.針對(duì)載人潛水器優(yōu)化設(shè)計(jì)中的復(fù)雜多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，發(fā)展了能夠得到Pareto解集的協(xié)同優(yōu)化方法。 針對(duì)潛水器設(shè)計(jì)中涉及多個(gè)學(xué)科的耦合以及數(shù)據(jù)信息量大、數(shù)據(jù)關(guān)系復(fù)雜的問(wèn)題，本文發(fā)展了一種新的多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化算法。該方法將Pareto遺傳算法(PGA)引入?yún)f(xié)同優(yōu)化框架。在PGA與協(xié)同優(yōu)化框架結(jié)合的過(guò)程中，采用目標(biāo)函數(shù)的歸

6、一化處理、分級(jí)罰函數(shù)法、浮點(diǎn)數(shù)編碼、群體分級(jí)和Pareto解集過(guò)濾器等技術(shù)提高算法的計(jì)算效率和可靠性。二者的有機(jī)結(jié)合充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，該方法利用協(xié)同方法的分解協(xié)調(diào)機(jī)制將復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題分解為一個(gè)系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化問(wèn)題和幾個(gè)學(xué)科級(jí)優(yōu)化問(wèn)題。采用PGA作為系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化器，不僅可以得到能夠反映多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題實(shí)質(zhì)的、客觀的Pareto解集，而且，由于PGA是無(wú)需梯度信息的直接搜索算法，從而從根本上消除了協(xié)同優(yōu)化由系統(tǒng)層一致性約束條件引起的收斂困難問(wèn)題

7、。最后通過(guò)一個(gè)數(shù)學(xué)算例證實(shí)了本文發(fā)展的多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化方法的有效性。 4.載人潛水器總體多學(xué)科模型的建立。根據(jù)載人潛水器總體設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，將載人潛水器系統(tǒng)劃分為外形/水動(dòng)阻力、推進(jìn)、能源、結(jié)構(gòu)、重量與容積共5個(gè)相對(duì)獨(dú)立的學(xué)科。在學(xué)科分析的基礎(chǔ)上，建立了各學(xué)科數(shù)學(xué)分析模型，提取了設(shè)計(jì)參數(shù)，明確了各學(xué)科的輸入輸出以及它們之間的耦合關(guān)系，并編制了相應(yīng)的分析設(shè)計(jì)程序。完成了載人潛水器的總體設(shè)計(jì)的建模工作。 5.多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化方法在載

8、人潛水器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究。 (1)利用基于遺傳算法的單目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了載人潛水器概念設(shè)計(jì)階段的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)。 (2)利用本文提出的基于Parato遺傳算法的多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化方法(PGA-CO)，實(shí)現(xiàn)了載人潛水器概念設(shè)計(jì)的多目標(biāo)優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明該方法能得到穩(wěn)態(tài)和均勻的高性能Pareto解集，與單目標(biāo)優(yōu)化相比，獲得的Pareto解集能使設(shè)計(jì)者對(duì)可能的設(shè)計(jì)方案有全面認(rèn)識(shí)，更好地進(jìn)行權(quán)衡、折衷和決策。應(yīng)用研究表明，該方法

9、在載人潛水器總體設(shè)計(jì)中具有廣闊的應(yīng)用前景。 6.響應(yīng)面近似技術(shù)在載人潛水器耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究。對(duì)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化中的近似模型技術(shù)進(jìn)行了研究，將二次響應(yīng)面近似模型應(yīng)用于潛水器載人耐壓球殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，載人球殼結(jié)構(gòu)采用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元分析，采用中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法獲得初始樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合構(gòu)造了設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)的二階響應(yīng)面近似模型，在響應(yīng)面模型基礎(chǔ)上利用PGA算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解，最后得到耐壓球

10、殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)處，近似模型達(dá)到了較高的精度。這一研究表明：在載人潛水器學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)中，采用響應(yīng)面近似模型替代原有復(fù)雜的、高精度分析模塊進(jìn)行優(yōu)化迭代計(jì)算，極大地減少了計(jì)算量，提高優(yōu)化計(jì)算效率，解決了詳細(xì)設(shè)計(jì)階段學(xué)科優(yōu)化中的計(jì)算瓶頸問(wèn)題，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性。本文的創(chuàng)新性工作主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面： (1)本文結(jié)合Pareto多目標(biāo)遺傳算法(PGA)和協(xié)同優(yōu)化框架(cO)，首次提出了基于PGA的多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化算法(P

11、GA-CO)，通過(guò)數(shù)值算例的驗(yàn)證和實(shí)際工程的應(yīng)用表明：該方法能有效解決多目標(biāo)的多學(xué)科優(yōu)化問(wèn)題，在類似于載人潛水器等復(fù)雜工程系統(tǒng)的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)中極具應(yīng)用潛力。 (2)將航空航天領(lǐng)域新近發(fā)展起來(lái)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)運(yùn)用于載人潛水器的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)中。首次建立了包含水動(dòng)力外形、推進(jìn)、能源、結(jié)構(gòu)及重量容積共5個(gè)學(xué)科在內(nèi)的載人潛水器總體多學(xué)科優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并采用多目標(biāo)多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化算法(PGA)求解，獲得了優(yōu)化結(jié)果。 (3)首次將多

12、學(xué)科近似模型技術(shù)應(yīng)用于載人潛水器的耐壓結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，基于響應(yīng)面近似模型的耐壓結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，能顯著減少計(jì)算量，優(yōu)化效率高，能夠滿足工程設(shè)計(jì)的精度要求，該方法工程實(shí)用性強(qiáng)。 (4)通過(guò)一個(gè)典型MDO數(shù)學(xué)算例對(duì)現(xiàn)有的多種協(xié)同優(yōu)化方法進(jìn)行了比較研究，得到了一些有益的結(jié)論，為協(xié)同優(yōu)化算法理論和應(yīng)用的進(jìn)一步研究提供參考。 通過(guò)本文研究，表明多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在提高載人潛水器總體優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)方面具有巨大潛力，本文工作可作為進(jìn)一步