基于多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的船舶水動(dòng)力性能綜合優(yōu)化研究.pdf

1、傳統(tǒng)的船舶設(shè)計(jì)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(biāo)滿足要求，即使開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，也是針對(duì)單個(gè)學(xué)科的某些指標(biāo)進(jìn)行，無法兼顧各學(xué)科多性能之間的協(xié)調(diào)平衡，無法使設(shè)計(jì)船舶的系統(tǒng)綜合性能達(dá)到最優(yōu)，這嚴(yán)重限制了船舶設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高。因此，目前的船舶設(shè)計(jì)迫切需要一種新的設(shè)計(jì)理論和方法作指導(dǎo)!
　　 隨著現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法學(xué)的發(fā)展和成熟，以及計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，復(fù)雜工程產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了新的方法和模式。起源于航天、航空領(lǐng)域的多學(xué)科設(shè)

2、計(jì)優(yōu)化方法是先進(jìn)設(shè)計(jì)方法學(xué)的典型代表。該方法可以充分利用各學(xué)科之間相互作用所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，獲得系統(tǒng)的整體最優(yōu)解，并通過實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)來縮短設(shè)計(jì)周期，從而使研制出的產(chǎn)品更具有競爭力。
　　 目前該方法的基本理論發(fā)展得相對(duì)成熟，但具體應(yīng)用到像船舶這樣的復(fù)雜工程產(chǎn)品上還有很大的困難，這主要是因?yàn)榇白陨磉€有很多關(guān)鍵問題沒有得到有效的解決，如系統(tǒng)建模技術(shù)、參數(shù)化主模型、學(xué)科視圖模型的生成機(jī)制等等，對(duì)這些關(guān)鍵問題的深入研究將有助于推動(dòng)多學(xué)

3、科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在船舶領(lǐng)域的順利實(shí)施。
　　 基于上述分析，本論文重點(diǎn)圍繞船舶自身的關(guān)鍵問題開展研究工作。為降低問題的復(fù)雜程度，縮小研究范圍，本論文主要圍繞船體型線水動(dòng)力性能的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化開展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究。重點(diǎn)探討了船舶多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)過程模型，旨在為船舶領(lǐng)域如何有效實(shí)施MDO提供思路。在此基礎(chǔ)上，從船體型線水動(dòng)力性能綜合優(yōu)化的具體問題出發(fā)，研究了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中所需要解決的基礎(chǔ)理論問題，最后建立了船體型線多學(xué)科設(shè)

4、計(jì)優(yōu)化平臺(tái)。論文的主要研究內(nèi)容涉及以下六個(gè)方面：
　　 1.船舶變復(fù)雜度進(jìn)化設(shè)計(jì)過程
　　 船舶設(shè)計(jì)是一個(gè)多學(xué)科、多目標(biāo)、多變量和多約束的復(fù)雜工程問題。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)螺旋方法是船舶設(shè)計(jì)過程發(fā)展史上的一個(gè)重要模型，已經(jīng)被廣大設(shè)計(jì)人員所認(rèn)可。但傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)螺旋更多是對(duì)設(shè)計(jì)步驟的說明而對(duì)于設(shè)計(jì)過程本身的描述并不完善。在分析船舶設(shè)計(jì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程模型的不足之處，在此基礎(chǔ)上發(fā)展了基于MDO的船舶設(shè)計(jì)過程模型。為順利實(shí)施

5、多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，對(duì)船舶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的本質(zhì)進(jìn)行了剖析，提出將進(jìn)化設(shè)計(jì)的思想與變復(fù)雜度建模方法結(jié)合起來，發(fā)展成為變復(fù)雜度進(jìn)化設(shè)計(jì)模式。
　　 2.船體型線參數(shù)化主模型的建立
　　 船舶多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，各學(xué)科均要進(jìn)行相應(yīng)的仿真分析。為了確保各學(xué)科分析所需數(shù)據(jù)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(biāo)，提出為實(shí)現(xiàn)船舶水動(dòng)力性能的綜合優(yōu)化，必須采用參數(shù)化技術(shù)建立船體型線的主模型。深入探討了船體型線的

6、參數(shù)化建模原理，并對(duì)現(xiàn)有的參數(shù)化建模方法進(jìn)行了對(duì)比分析，在此基礎(chǔ)上提出了基于NURBS的船體曲面修改融合技術(shù)。
　　 3.船型水動(dòng)力性能分析的視圖建模
　　 各學(xué)科在進(jìn)行仿真分析時(shí)所需的學(xué)科視圖模型是不一致的，因此必須基于同一個(gè)主模型為水動(dòng)力性能不同學(xué)科提供相應(yīng)的學(xué)科視圖模型，這是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，提出了基于主模型進(jìn)行水動(dòng)力性能多學(xué)科視圖建模的思想，在實(shí)現(xiàn)途徑上主要是通過對(duì)主模型(IGES)文件進(jìn)行解析和

7、轉(zhuǎn)換，并針對(duì)船舶阻力性能及耐波性能的學(xué)科視圖模型需求開發(fā)了模型生成器。
　　 4.綜合優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立及系統(tǒng)重構(gòu)
　　 為實(shí)現(xiàn)船型水動(dòng)力性能綜合優(yōu)化，必須根據(jù)具體優(yōu)化問題建立優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型。分別闡述了優(yōu)化變量、優(yōu)化目標(biāo)及約束條件的選取及確定方法。針對(duì)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的求解，提出了多目標(biāo)優(yōu)化的Pareto方法。分析了船型水動(dòng)力性能優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提出為提高優(yōu)化效率，必須對(duì)優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)。通過借鑒IDF模型，提出了基于Par

8、eto方法的系統(tǒng)重構(gòu)方法，并分析了系統(tǒng)重構(gòu)后的優(yōu)化流程。
　　 5.平臺(tái)開發(fā)及實(shí)例驗(yàn)證
　　 為支持船舶變復(fù)雜度設(shè)計(jì)模式，同時(shí)也為了給工程設(shè)計(jì)人員提供便利環(huán)境，以進(jìn)行船型的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化研究。重點(diǎn)以船型水動(dòng)力性能綜合優(yōu)化的流程為基礎(chǔ)，研究了平臺(tái)實(shí)現(xiàn)過程中的數(shù)據(jù)集成和過程集成方法，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了船體型線多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái)。最后，以多個(gè)船舶優(yōu)化實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該軟件平臺(tái)具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。
　　 6.船