基于设计结构矩阵的船舶多学科设计优化建模技术研究

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1、武汉理工大学硕士学位论文根据对象的研究特点选择合适的模型，或采用多种模型从不同角度揭示研究对象的特征。目前，关于MDO建模技术的研究比较少见，一般都侧重于具体类型模型的表述，如陈柏鸿112】针对机械产品多学科综合设计优化提出的采用层次树结构的建模方法，胡伟113J针对机械产品多学科协同设计优化提出的建模理论。关于船舶多学科设计优化的论文主要着眼于MDO其它方面的问题，如求解策略、近似技术等等，而关于建模技术的文献相对比较缺乏。1．3本文的研觥基于设计结构矩阵的聚类分解技术是本文建模技术研究的重点，主要工作有：1)深入研究了文

2、献【14】提出的用于产品设计开发的基于设计结构矩阵(DesignStructureMatrix，DSM)的聚类算法。在理论假设、计算方法和编码方式方面进行了一定程度的改进，讨论了聚类算法中遗传算法参数和其它参数设置对聚类结果的影响。另外，以改进后的假定为基础，提出了利用指数函数计算DSM元素间联系信息强度的方法，并推导了聚类结果只与指数函数区间长度有关的结论。最后提出了两个指标，即联系权重在聚类内部的百分比和BUS聚类规模，利用这两个指标来评价线性函数和指数函数的聚类结果。2)以5400TEU集装箱船在方案设计阶段初期的MD

3、O建模为例，详细阐述了基于聚类算法的多学科设计优化建模。首先根据传统的船舶设计理念，确定了该船型在该阶段考虑的DSM元素，并根据这些元素设计了DSM。然后通过专家评估法确定各元素之间的联系权重。对船舶DSM进行聚类运算，将聚类结果与传统的学科划分结果做了比较，说明了该建模技术的确能够减少MDO模型的耦合。最后，根据聚类结果分离出各个系统的目标、设计变量和约束，得到该船型的MDO概念模型，为多学科设计优化的深入研究创造了条件。本文的研究工作得到国家自然科学基金重点项目(No．51039006)“船舶多学科优化设计若干基础问题研

4、究”的资助。武汉理工大学硕士学位论文第2章设计结构矩阵设计结构矩阵主要应用于工程设计领域，在船舶领域对其的研究比较少见。本章从概念、发展历程、分类和运算方面对设计结构矩阵进行了简要的介绍，以便更好地理解复杂系统建模所采用的基于设计结构矩阵的聚类算法。复杂工程系统的设计和开发需要许多不同专业背景人员的合作，这种情况造成了人员和任务之间存在复杂的关系。许多传统的工程管理工具如工程评审技术方法(ProgamEvaluationandRenewTechnology,PERT)和关键路径法(CriticalPathMethod，CPM

5、)等ll5J已经无法解决这种复杂程度的问题。这是因为这些工具虽然能够进行设计中串行或并行的建模工作，但是却无法处理复杂系统设计中常见的反馈和迭代。为解决这一问题，设计结构矩阵(DSM)应运而生。它是由美国学者Ste硼帕博士最早提出，是用于对产品开发过程进行规划和分析的矩阵工具【16J。这种工具与传统的工程管理工具的不同之处在于它关注于代表信息流而不是工作流。DSM是一个代表复杂任务或团队关系的信息交互模型，然后通过此模型确定合理的任务序列或者分组。DSM最初是根据有向图发展而来的，是一个由排列顺序均相同的行列元素构成的方阵。

6、系统之间的关系有三种，分别是并行、串行和耦合。图2．1给出了传统图形方法与DSM表达三种基本关系的方法。系统元素间的三种基本关系关系串行并行耦合一A]落图形一AHB卜+L—，—BHABABABDSMA■A■A■XBX■B■BX■图2．1系统的三种基本关系表示法4武汉理工大学硕士学位论文20世纪90年代早期，Eppinger对Steward的DSM进行了进一步的发展，提出了对DSM模型进行技术结构的运算。这些运算不仅可以将任务重新排序，而且还能将任务简化或分解成更小的任务，从而避免了设计开发过程的瓶颈问题ll7JIl引。几年后

7、，Smith、Eppinger等又提出了数字化的设计结构矩阵(NumericDesignStmctureMatrix,NDSM)【191[20l【211【瞄】。20世纪90年代后期，Yassine、Eppinger等以NDSM为基础构造出工作转移矩阵(WorkTransformationMatrix，WTM)，并将其应用于过程建模的任务规划、迭代等问题的研究困1[24112511261127][28]。近年来Tyson、Browing等又提出了Multi．DSM的概念，用来把一个大的DSM模型分解成多个较小的DSM模型，或者

8、把几个较小的DSM模型合并成为一个大的DSM模型眇J。图2．2即为一个简单的布尔型DSM，其中矩阵中的行列元素表示过程中的活动，非对角线元素代表对应的行列元素之间的联系，矩阵单元相对于对角线的上下位置描述对应行列元素之间联系的方向，在对角线上方表示关系或信息的发布，而在对角线下方表示关系或