舰船总体设计中的多学科优化技术.pdf

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1、NAVALARCHITECTUREANDOCEANENGINEERING船舶与海洋工程2013年第3期（总第95期）舰船总体设计中的多学科优化技术周奇，陈立，许辉，黄卫刚（701研究所，武汉320064）摘要：MDO（多学科优化设计）技术适用于解决复杂工程系统和子系统的设计优化。为推广多学科优化设计技术在舰船总体设计中的应用，阐述了多学科优化技术的基本理论、研究和发展应用情况，系统介绍了协同优化算法的应用环境、特征和基本原理，将舰船总体设计根据MDO的要求分解为浮态与稳性、水动力性能、造价等5个子学科并进行了学科分析，基于多目标协同

2、优化算法建立了舰船总体优化的数学模型及优化框架。关键词：总体优化；多学科；多目标协同优化；优化框架中图分类号：U662文献标识码：A文章编号：2095-4069(2013)03-0006-04Abstract:MDO(Multi-disciplinaryDesignOptimization)methodisapplicableforthedesignoptimizationofcomplicatedengineeringsystemsandsubsystems.InordertopromotetheMDOmethodinshipov

3、eralldesign,thispaperelaboratesitsbasictheories,researchesanddevelopments.Theworkingenvironment,featuresandbasicprinciplesofcollaborativeoptimizationaresystematicallyintroduced.Shipoveralldesignisseparatedintofivesub-disciplinesaccordingtotheMDOrequirements,suchasfloat

4、ation,stability,hydrodynamicperformanceandconstructioncost.Theshipoveralldesignoptimizationmathematicalmodelandoptimizationframeworkbasedonmulti-objectivecollaborativeoptimizationalgorithmareestablished.Keywords:overalloptimization;multi-disciplinary;multi-objectivecol

5、laborativeoptimization;optimizationframework0引言20世纪80年代，多学科设计优化（MDO）兴起于航空航天领域。MDO是一种通过充分探索和利用[1]工程系统中相互作用的协同机制来设计复杂产品及其子系统的方法论。以Sobieski和Kroo为代表的科学家将其应用于飞行器结构设计中取得了良好的结果。目前，MDO广泛应用于飞机、运载火箭、汽车、涡[2]轮引擎及潜器的设计。对于舰船总体设计领域而言，它涉及操纵、阻力、耐波、结构、声隐身、振动与噪声、工艺、材料等多个方面，是一个多目标、多变量、多约束

6、的复杂工程设计问题。这些变量可能是离散、连续或非数值的；约束可能是线性或非线性的。就传统方法而言，船舶设计过程中对每个专业的分析是单独进行的，设计问题是以串行设计的方法来解决，其中每个学科有不同的优化问题，这种设计过程实质上是一种顺序求解，前面学科的结果往往决定后面学科的答案，而使设计陷入局部最优。[3]舰船是个复杂的巨系统，由很多子系统构成，各主要子系统之间均有强弱不同的耦合关系。例如，改变舰船的结构设计将会改变舰船总重量，进而影响舰船的排水量、阻力及主机功率需求，同时也改变了舰船的质量分布，最终影响耐波性能、隐身性能;而改变舰船

7、的阻力和推进特征又会影响所载燃料的重量，进而影响结构性能、空间利用情况及舰船的耐波性能。因此，为了获得整个系统的总体最优解，合理的做法是在设计期间同时考虑船型、结构、阻力等学科的设计，给出各学科的设计变量、约束条件以及各子系统之间的耦合关系，在满足系统总目标较优的情况下，设计各子系统，以获得各方面的综合平衡。多学科设计优化为舰船系统设计提供了一个有效的手段。国内将多学科优化应用于舰船总体设计的研究才刚刚起步，迄今为止还没有形成比较成熟的理论。第一作者简介：周奇，男，硕士研究生，1990年生。研究方向：舰船总体性能优化设计。收稿日期：

8、2013-01-23周奇，等：舰船总体设计中的多学科优化技术71多目标协同优化1.1协同优化的思想协同优化方法属于两级优化算法，将优化问题分为两级：一个系统级和并行的多个学科级（见图1），系统级向学科级分配系统级变量的目标值，各学科级