基于外点罚函数的潜水器圆柱壳体优化设计.pdf

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1、第２期（总第２０１期）机械工程与自动化No．２２０１７年４月MECHANICALENGINEERING&AUTOMATIONApr．文章编号：１６７２‐６４１３（２０１７）０２‐０１３０‐０２基于外点罚函数的潜水器圆柱壳体优化设计庞广智（中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，湖北宜昌４４３００３）摘要：将壳体净重与排水量指标对潜水器有效载荷的影响转化为以壳体净重－排水量比值为目标函数、以强度和稳定性为限定条件、以外点罚函数法来求解的数学优化问题，并通过对算例优化结果分析，验证了数学模型及求解方法的正确性，为潜水器圆柱壳体的优化设计找到了新途径。关键

2、词：罚函数；潜水器；壳体；优化设计中图分类号：U６７４畅９４１文献标识码：A0引言１．１设计变量潜水器耐压壳体是潜水器浮力的主要提供者，而潜水器圆柱壳体往往是细长薄壳结构，其净重与它的净重也占潜水器总净重很大的比例，所以耐压壳排水量由壳体的内径ri、长度L、壁厚t、肋骨间距l、肋体的净重与排水量是潜水器的重要设计指标，直接影骨截面宽度b和肋骨截面厚度h等参数确定。通常壳响着系统能耗、续航力及工作效率。若能在保证潜水体的内径ri因内部仪器空间限制而为定值，故选择壳器安全性能的条件下，最大程度地降低净重－排水量体的形状尺寸t、b、h、l和L作为设计变

3、量，即：TT比值（W／V），将意味着潜水器有效载荷的极大提高。X＝［x１，x２，x３，x４，x５］＝［t，b，h，l，L］．（１）因此本文试将潜水器耐压壳体的净重－排水量比值１．２目标函数（W／V）作为目标函数，强度和稳定性作为限定条件，本文以潜水器圆柱耐压壳体的净重－排水量比值建立数学模型，使潜水器有效载荷的提高问题最终转作为目标函数，其中耐压壳体净重是主壳体重量与肋化为数学优化问题予以解决。骨重量之和，即：1数学模型的建立minf（X）＝W（X）／V（X）．（２）W（X）＝２πk｛x１x５（０．５x１＋ri）＋［（x５／x４）－１］［x２x３

4、（ρri－０．５x１）］｝且．（３）V（X）＝πwx５（x１＋ri）ρ其中：f（X）为目标函数；W（X）为圆柱耐压壳体的净g１（X）＝Pcrq（X）－Pj≥０重；V（X）为圆柱耐压壳体的排水量；w为海水的密g２（X）＝Pcrρ（X）－１．２Pj≥０３３３度，kg／m，取w＝１．０２５×１０kg／m；k为金属壳体ρs．t．g３（X）＝０．８５ρs－１（X）≥０．（４）３的密度，kg／m。g４（X）＝１．１５s－２（X）≥０１．３约束条件g５（X）＝０．６s－３（X）≥０耐压圆柱壳结构优化设计的约束条件可分为性态其中：g１（X）为壳体稳定性约束；g２

5、（X）为壳体总体稳约束条件和辅助约束条件两种。性态约束条件主要包定性约束；g３（X）为壳板纵剖面中面膜应力约束；括稳定性和强度两个方面；辅助约束条件体现了讨论g４（X）为壳板横剖面与肋骨连接处合成应力约束；问题的范围以及建造工艺等方面的限制，即结合实际g５（X）为肋骨横剖面正应力约束；Pcrq（X）为肋骨间壳条件提出的设计变量范围。板屈曲压力；Pcr（X）为壳体总体屈曲压力；１（X）为壳１．３．１性态约束条件板纵剖面中面平均膜应力；２（X）为壳板横剖面与肋［１］骨连接处合成应力；按船级社CCS１９９６规范要求，耐压圆柱壳结构３（X）为肋骨横剖面正

6、应力；Pj为稳定性和强度约束条件如下：计算载荷；s为材料屈服极限。１．３．２辅助约束条件收稿日期：２０１６‐０８‐０４；修订日期：２０１６‐１２‐２６作者简介：庞广智（１９８３‐），男，黑龙江哈尔滨人，工程师，硕士，主要研究水下探测技术。２０１７年第２期庞广智：基于外点罚函数的潜水器圆柱壳体优化设计·１３１·g６（X）＝B－X≥０s．t．．（５）g７（X）＝X－A≥０x４－x５／floor（x５／x４）＝０mod（x５／x４）＜０．５x４s．t．h（X）＝．（６）x４－x５／ceil（x５／x４）＝０mod（x５／x４）≥０．５x４其中：g６（X

7、）为设计变量上限约束；g７（X）为设计变量这符合外点惩罚函数法求解极值的基本理论要求，即：（k）下限约束；A为设计变量下限，即［x１，x２，x３，x４，limf（X）＝lim（X，M）Φ＝０．４５５７．（９）（k）（k）M→∞M→∞TTx５］min；B为设计变量上限，即［x１，x２，x３，x４，x５］max；（k）limS（X）＝MS（X）＝０．（１０）（k）h（X）为等式约束。把连续变量x４（肋骨间距）处理为M→∞（２）按CCS１９９６规范对其优化结果进行核算，相可整除x５（壳体长度）的离散变量；floor（倡）为向下取整对初始值各项指标均得到

8、改善。耐压壳体结构优化前函数；ceil（倡）为向上取整函数；mod（倡）为求余函数。后数据对比见表３。2数学模型的求解表２求解收敛过程潜