多学科设计优化在船舶水动力性能优化中的应用

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1、多学科设计优化在船舶水动力性能优化中的应用11多学科设计优化在船舶水动力性能优化中的应用刘小健（708研究所，上海200011）摘要：阐述了多学科优化设计方法（MultidisciplinaryDesignOptimization，MDO）的发展应用情况。详细论述了基于协同优化方法的数学模型、优化原理和优化流程。针对水动力性能优化，分析了系统层和各学科的优化要素，初步建立了数学模型和优化框架。关键词：船舶水动力性能；多学科设计优化（MDO）；框架中图分类号：U661.3文献标识码：A文章编号：1005-9962(2010)0

2、2-0010-04Abstract:Themultidisciplinarydesignoptimization(MDO)methodisintroducedincludingitsdevelopmenthistoryandapplicationinthepaper.Themathematicalmodel,theoptimizationprincipleandprogrambasedonthecollaborativeoptimization(CO)areshown.Forthehydrodynamicperformanc

3、eoptimizationofships,theoptimizationfactorsofthesystem-levelanddisciplinesareanalyzedindetail,meanwhile,themathematicalmodelandoptimizationframeworkbasedonCOareestablished.Keywords:shiphydrodynamicperformance;MDO;framework多学科设计优化在船舶水动力性能优化中的应用110前言船舶的水动力性能优化是1个多目标，

4、多变量和多约束条件的复杂问题，传统的做法是将系统某一关键输出作为优化的目标函数，而将其它输出以约束的形式加以考虑，对单一目标函数求极值得到系统的最优解。也有的采用目标权重法，使多目标优化问题转变为单目标优化问题求解。目前，水动力性能优化，首先是进行快速性优化，然后进行耐波性、操纵性等的校核、验证。这种设计模式实质上是将船舶的快速性、耐波性、操纵性等子系统的设计工作完全人为地割裂开来，而没有充分利用各个学科（子系统）之间的相互影响可能产生的协同效应来改进船舶水动力性能的设计，因此极有可能失去系统的整体最优解，所以单学科的优化[

5、1,2]对整体水动力性能似乎意义不大，甚至可能导致整体性能不佳。并且这种设计模式属于串行设计模式，设计周期长，开发成本高。因此，难以满足实际生产的需要。近几年国内还有不少学者提出了“综合优化”的设计方法[3,4]，这些方法是直接把多个学科的分析模型、设计变量和约束条件联接在一起，采用单学科优化的方法进行计算，因此还不是真正意义上的多学科优化设计。由于受到现实计算能力和优化算法作者简介：刘小健，男，工程师。1979年生，2008年毕业于上海交通大学船舶与海洋结构物设计制造专业，目前从事船舶性能方面的研究工作。效率的制约，这些设

6、计方法的共同缺陷是所涉及的变量数目不可能很多，因此当希望充分利用多学科耦合的协同效应，对较多的学科同时进行优化时，这种综合优化的方法就不能适用了。1980年代，美籍波兰裔数学家J.Sobieski为多学科优化设计(MDO)理论[5]作出了开创性贡献，并得到了不断完善。国际上MDO主要应用在航空航天领域的飞行器设计方面，国内有北航、南航、国防科大、西工大等单位进行过跟踪性的研究[6-9]，主要也集中在飞行器的设计方面，在船舶与海洋工程领域的应用研究[10-14]刚刚起步，有必要开展深入地研究，适应协同优化设计的发展趋势。1协同

7、优化算法1.1MDO的思想与发展MDO是1种针对复杂工程系统的设计方法学，它通过充分探索和利用工程系统中相互作用的协同机制，考虑各学科（子系统）之间的耦合效应，从整个系统的角度设计复杂的工程系统。MDO的基本思想是在复杂系统的整个设计过程中利用分布式计算机网络技术来集成各个学科的知识，分析方法和求解工具，应用有效的优化策略来组织管理整个优化设计过程。MDO改变了传统设计过程，充分利用各学科之间相互作用所产生的协同效应，来挖掘设计的潜力，获得系统的整体最优解。MDO大致经历了3个发展阶段。第1阶段的MDO多学科设计优化在船舶水

8、动力性能优化中的应用11以学科分析与优化的集成为特征，整个优化过程中需要进行大量的学科分析和系统分析，典型的方法如传统的多学科可行方法(MultidisciplinaryFeasibleMethod，MDF)。第2阶段MDO以并行学科分析和数据管理为主要特征，具有明显的效率优势和规模优势，