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1、多学科设计优化方法在潜艇概念设计中的应用研究操安喜1，赵敏1，刘蔚1，崔维成2(1上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200030；2川国船舶科学研究中心，江苏无锡214082)译者：船舶工程0906熊思佳摘要：多学科设计优化方法(妙0)是从航空领域兴起的一种针列复杂工程优化设计的有效求解方法。该文针对潜艇设计的复杂性特点，探索MDO在潜艇概念设计中的应用。首先，文中建立了包括水动力、推进、重量、性能和成本共5个学科分析在内的数学模型，然后采用MD0方法一一协同优化方法(C0),对同时包含连续设计
2、变量和离散设计变量的潜艇系统，进行了以最小化建造成本为目标的多学科设计优化，获得了优化结果。结果表明：相对于传统设计方法，分布式、并行的协同优化方法C0更适合潜艇系统的设计。关键词：多学科设计优化(MD0)；潜艇；概念设计；协同优化(C0)中图分类号：U662文献标识码：A作者简介：操安喜(1976-),势，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院博士研究牛；赵敏(1982-),男，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院博士研究生；刘蔚(1978-),女，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院博士研究生；崔维成(1
3、963-),男，屮国船舶科学研究屮心研究员，博士生导师。1.简介在一项复杂的工程设计过程屮，概念设计阶段关乎着它的成败，因为该阶段决定着75%的最终成本和性能指标。潜艇设计是一项复杂的、多学科和大型的任务，而这项任务通常被分成一系列的较小的、更易处理的设计问题。一个完整的设计需要分析水动力、结构、推进、重量、控制、操作、成本和其他方面，而在概念设计阶段解决这些方而问题是十分重要的。潜艇设计的传统方法是按照次序进行的。如图1所示，使用这种方法，设计由第一学科团队开始，特定设计变量的值是固定的，传递给第二
4、个学科团队，Z后是第三个团队，依此类推，直到最后的团队完成整个设计。传统的方法可能无法实现最优系统设计，其原因包括：(1)上游学科中的分析可能取决于在下游学科中确定的结果。按相继次序的方法，很可能在上游学科中假设的值与在下游学科最终确定的实际值不匹配。(2)系统目标(如成本、性能等)可能过分依赖在下游学科中确定的结果，没有设计自由就无法带来有意义的变化。(3)设计在吋间上可能是确定了的，而到了下游学科进行时，可能无法满足他们的需要。发展。多学科设计优化领域的出现为优化大型耦合系统的设计改进了方法。多学
5、科设计优化方法关心如何有效地分析和最佳地设计一个由多个耦合学科支配或由耦合组件组成的系统。它是并行工程技术的一部分，这很可能是复杂高级系统的使能技术。在过去的十年里，随着它的快速发展，多学科设计优化方法得到了广泛地讨论，不仅应用于航空航天和航空行业，也应用在其他复杂的工程系统，如汽车、水下交通工具、船舶等，这些都促进了设计变得更加可靠和完善。为了优化潜艇整体性能，完善潜艇概念设计过程，必须采用多学科设计优化方法。本文的目的就是为了探讨协同优化方法，这种多学科设计优化方法是如何应用在潜艇概念设计屮的。2
6、.协同优化协同优化(CO),这种多学科设计优化方法，已经被用来提高自主性，同时提供一个协调机制以保证进度优化和维持跨学科的兼容性。它主要由两级优化结构构成。协同优化方法的原结构如图2所示。通过使用协同优化方法，设计任务可以由几个学科团队也可以由系统级团队来完成。各学科团队可以自由定义自己的局部设计。学科级团队的任务是完成一个满足局部约束的设计，以及尽可能接近系统级优化程序的局部设计。如方程(1)所示，取Ji的最小值，它代表局部设计参数的值和相应的系统级目标Z间的冲突的平方。MM+kMin:Ji=迂(Z
7、j—Xj)2+迂(Zj-Yi(j-M))2,N)J=1j二M+lw.r.t.Xi,_Xis.t.Ci(Xi,Yi,'Xi)Xi={X订，・・・,Xim};(1)Yi={Yij,Yik};_Xi二「X订,…，-Xil};Xi是局部设计变量，其对应的系统级指定Fl标为Z;_Xi是局部设计变量，没有对应的系统级指定目标;Yi是局部计算状态变量，相应的系统级指定目标为Z,且Yi是Xi或一Xi的函数;Ci是子学科i的局部约束;N是协同优化方法的子问题的个数。系统级优化问题被定义为：Min:f(z)w.r.t.Z
8、={Zl,…，Zj}(2)s.t.Ji*二0,(i=l,…，N)『0)是系统级指定目标函数;Ji*是系统级约束，相应的Ji是子系统级约束。系统级团队的主要工作是调整目标z,来达到最小化目标或最大化系统级目标函数的目的。这个问题是受到一约束，即所有的学科都满足Ji=0o协同优化方法被广泛讨论，应用于实际工程之中。一些研究人员已把它应用到简单的测试问题和更复杂的工程设计问题之中，这些应用包括运载火箭设计、飞机设计、水下交通工具设计、概念舰船设计、船舶轮机设计
