多学科协同优化算法及其在船舶概念优化设计中的应用

发布时间：2017-10-21 19:14

  本文关键词：多学科协同优化算法及其在船舶概念优化设计中的应用

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【摘要】：对于船舶总体设计而言，它涉及到建造经济性、浮性、稳性、快速性、操纵性、工艺等，是一项设计周期长、涵盖范围广的复杂系统工程设计问题。随着结构、水动力、控制等学科理论不断完善，计算机技术的飞速发展，人们能够采用更高精度的有限元模型进行各学科的仿真与性能预报，然而，与各学科或子系统设计日新月异形成鲜明对比的是，长期以来，船舶总体设计方法的发展一直停滞不前，其理论落后、方法陈旧。虽然这些理论和方法在过去数十年发挥了极其重要的作用，为船舶设计技术的发展做出了巨大的贡献，但是它们割裂了各学科之间的耦合效应、不能充分利用学科的发展成果、低效、耗时且成本高昂。这一系列固有缺陷决定了它们已无法适应现代船舶设计发展的迫切需要。 上世纪八十年代兴起于航空航天领域的多学科设计优化，正是针对这一问题而形成的一种综合设计优化的方法论，，其通过充分探索和利用各学科间相互耦合所产生的协同效应，来获取工程产品整体性能最优的设计方案。相对于飞机、火箭等航空航天结构设计物，船舶系统的复杂程度有过之无不及。将多学科设计优化引入到船舶总体设计中来前景巨大。 论文以多学科协同优化算法及其在船舶总体设计中的应用为核心，主要工作包括以下几个方面： 1)简述了传统的船舶与海洋工程结构物设计理念和方法的缺陷及本文研究的目的与意义。叙述了多学科设计优化的定义、特点、发展概况与研究内容。接着对多学科优化设计方法在船舶与海洋工程中的国内外研究现状进行了综述，并对本文的组织结构和研究内容进行阐述。 2)对多学科优化设计中的单级优化求解策略：单学科可行方向法(Individual Discipline Feasible,IDF)、多学科可行方向法(Multidisciplinary Feasible Method,MDF；也称All-In-One,AIO)、同时分析和设计方法(Simultaneously Analysis And Design,SAD；All-At-Once也称AAO)。多级优化求解策略：并行子空间优化算法(Concurrent Subspace Optimiza-tion,CSSO)、协同优化算法(Collaborate Optimization,CO)、两级集成系统综合(Bi-level Integrated System Synthesis,BLISS)的构造原理和特点进行详细的分析与评述。定性的比较了CSSO、CO、BLISS三种多级集成优化策略的分解条件及收敛特征，结合船舶与海洋工程结构物的总体设计特征，提出最适合于船舶总体性能优化的多学科优化设计框架。 3)对协同优化算法的基本思想、框架结构、数学模型、计算性能进行了详尽的阐述。分析了协同优化算法求解困难的原因，将当前协同优化算法的改进措施分成三类：(1)从数学描述形式上改变；(2)引入近似技术；(3)结合现代智能优化算法。列举了几种代表性的改进措施，并分析了其优缺点。提出了一种基于一致性差异信息的动态罚函数协同优化算法(Dynamic Penalty CollaborativeOptimization, DPCO)，其基本思想是将系统级一致性约束最优化问题通过罚函数方法转化为一个无约束优化问题。同时，给出了两种不同的基于差异信息的动态可调罚系数，以保证在优化初期，系统级设计变量与学科级共享变量相差较大时，惩罚力度也大，促使一致性差异在总目标函数中占主导地位，则一致性差异将迅速下降。随着优化的进行，罚系数变小，惩罚力度减轻，加快目标函数的收敛。最后，结合典型函数优化和减速齿轮箱轻量化设计两个MDO经典测试算例，比较了基于一致性差异信息的动态罚函数协同优化算法、标准协同优化算法，Alexandrov提出的松弛协同优化算法，韩明红提出的罚函数协同优化算法四种协同优化算法的收敛特性。 4)将船舶概念设计划分为多个子学科系统，并分别对每个子学科进行简化分析，采用经验公式或回归公式给出了每个学科的分析模型。采用基于一致性差异信息的动态罚函数协同优化算法建立船舶概念设计阶段的数学模型，论证了改进协同优化算法的工程实用性。
【关键词】：协同优化 罚因子 多学科优化设计 差异信息 船舶设计
【学位授予单位】：中国舰船研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U662
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-21
• 1.1 课题的研究背景与意义9-10
• 1.2 多学科设计优化方法研究综述10-19
• 1.2.1 多学科设计优化的发展概况10-13
• 1.2.2 多学科设计优化的研究体系13-18
• 1.2.3 多学科设计优化在船舶领域的研究进展18-19
• 1.3 论文的组织结构19-21
• 第二章 多学科优化设计中的求解策略21-29
• 2.1 引言21
• 2.2 单级求解策略21-23
• 2.2.1 多学科可行方向法21-22
• 2.2.2 同时分析和设计方法22
• 2.2.3 单学科可行方向法22-23
• 2.3 多级优化求解策略23-27
• 2.3.1 协同优化算法23-24
• 2.3.2 并行子空间优化算法24-26
• 2.3.3 两级系统综合算法26-27
• 2.4 本章小结27-29
• 第三章 多学科协同优化算法及其改进29-46
• 3.1 引言29
• 3.2 协同优化算法29-31
• 3.2.1 协同优化算法的数学描述及求解流程29-30
• 3.2.2 协同优化算法计算困难的原因30-31
• 3.3 协同优化算法的常见改进措施31-34
• 3.3.1 基于一致性约束松弛的协同优化算法31-32
• 3.3.2 基于近似模型的协同优化算法32-34
• 3.3.3 基于现代智能优化算法的协同优化算法34
• 3.4 基于动态差异信息的改进协同优化算法34-37
• 3.5 数值算例37-44
• 3.6 本章小结44-46
• 第四章 基于改进协同优化算法的船舶概念设计优化46-57
• 4.1 引言46
• 4.2 学科分析46-53
• 4.2.1 浮性与稳性学科46-48
• 4.2.2 舱容性学科48-49
• 4.2.3 快速性学科49-50
• 4.2.4 操纵性学科50-52
• 4.2.5 经济性学科52-53
• 4.3 基于 DPCO 的船舶概念设计架构53-55
• 4.4 优化实例及结果分析55-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第五章 总结与展望57-59
• 5.1 全文总结57
• 5.2 研究展望57-59
• 参考文献59-67
• 攻读硕士学位期间发表论文情况67-68
• 致谢68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：1074860