扁平无人深潜器操纵性和快速性及能源系统优化设计方法

发布时间：2017-10-27 01:04

  本文关键词：扁平无人深潜器操纵性和快速性及能源系统优化设计方法

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【摘要】：无人深潜器的设计系统包含了多个学科,其设计过程较为复杂。传统的设计方法是按照概念设计、初步设计、详细设计等步骤分阶段进行的,设计过程中需要反复调整和修改,设计效率低,成本高,而且由于没有考虑到不同学科之间的耦合关系,设计出来的深潜器的整体性能未必最优。本文通过将多学科优化设计方法引入深潜器设计中,以某一扁平大型无人深潜器为设计目标,将设计系统分解成快速性、操纵性和能源系统三大学科,综合考虑了各学科间的耦合效应,进行了深潜器多学科综合优化设计的应用研究。论文的研究工作总结如下:1.对扁平大型无人深潜器主艇体进行了初步设计,通过基于CFD的阻力计算分析发现,初步设计的艇型的阻力性能并非最优,有待进一步优化。2.进行阻力优化系统设计:基于响应面方法,采用全因子试验设计方案,建立了81个艇体几何模型,共405个试验点;用Fluent 14.5软件进行CFD数值模拟得到对应的艇体总阻力;采用无量纲分析方法,拟合得到艇体总阻力系数的响应面方程,并对响应面的精度进行分析,再根据航速和艇体表面积计算出艇体总阻力。接着进行了推进优化系统设计。最后综合考虑深潜器的阻力与推进性能,建立了深潜器快速性系统的优化数学模型。3.选取了垂直面和水平面运动性能指标共8个作为操纵性指标,并进行极端假设和边缘试算,确定了相应的隶属度函数;通过模糊评判的专家咨询法确立了各项性能指标的权重;构建了较为完备的深潜器操纵性系统优化数学模型。4.能源系统耗电包括设备电和动力电,电池箱需要满足深潜器系统的电压需求,也要满足深潜器能源需求和能源舱的几何约束,选取设备电和动力电的电路效率、能源储备系数和能源舱的能重比为能源系统优化指标,建立了深潜器综合优化系统。5.介绍了优化设计的基本概念;同时详细介绍了比较常用的优化方法:遗传算法、混沌算法、并行方法和分层方法。6.基于深潜器的3个性能系统建立了扁平大型无人深潜器的综合优化数学模型,开发了深潜器性能综合优化软件。利用该优化软件对扁平大型无人深潜器进行了重点设计变量的敏感度分析,以及不同目标函数、不同优化方法、不同目标权重的对比分析。得出一套最优的扁平大型无人深潜器综合优化方案,并得到最终优化结果。
【关键词】：扁平大型无人深潜器 快速性 操纵性 能源系统 多学科优化设计
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U674.941
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-15
• 第1章 绪论15-21
• 1.1 研究背景与意义15-16
• 1.2 无人智能深潜器发展现状16-18
• 1.3 多学科优化设计的发展现状18-19
• 1.4 深潜器多学科优化设计发展现状19
• 1.5 论文主要研究内容19-21
• 第2章 扁平大型无人深潜器方案设计21-33
• 2.1 无人深潜器外形分析21-23
• 2.2 扁平大型无人深潜器主艇体初步设计23-24
• 2.3 扁平大型无人深潜器主艇体参数设置24-25
• 2.4 扁平大型无人深潜器裸艇体阻力分析25-31
• 2.4.1 深潜器阻力分类25-27
• 2.4.2 基于CFD的深潜器裸艇体阻力计算与分析27-31
• 2.5 本章小结31-33
• 第3章 深潜器快速性系统优化模型设计33-47
• 3.1 艇体表面积和体积估算33-35
• 3.2 基于响应面方法深潜器阻力优化系统设计35-42
• 3.2.1 响应面多元拟合原理35-37
• 3.2.2 试验设计原理37-38
• 3.2.3 深潜器阻力响应面的试验设计方案38
• 3.2.4 深潜器阻力优化系统38-40
• 3.2.5 深潜器阻力响应面精度分析40-42
• 3.3 深潜器艇型系数计算42-43
• 3.4 深潜器推进优化系统设计43-44
• 3.5 深潜器快速性优化数学模型44-46
• 3.5.1 设计变量44
• 3.5.2 目标函数44-45
• 3.5.3 约束条件45-46
• 3.6 本章小结46-47
• 第4章 深潜器操纵性系统优化模型设计47-61
• 4.1 深潜器水动力导数47-53
• 4.1.1 深潜器运动参数47-48
• 4.1.2 深潜器水动力分类48-50
• 4.1.3 水动力导数的估算50-53
• 4.2 深潜器操纵性能指标53-55
• 4.2.1 垂直面运动性能指标53-54
• 4.2.2 水平面运动性能指标54-55
• 4.3 深潜器操纵性优化数学模型55-60
• 4.3.1 深潜器操纵性指标的隶属度函数55-58
• 4.3.2 深潜器操纵性能指标权重58-59
• 4.3.3 深潜器操纵性优化数学模型59-60
• 4.4 本章小结60-61
• 第5章 深潜器能源系统优化模型设计61-70
• 5.1 电池选择与电路效率61-63
• 5.1.1 电池选择61-62
• 5.1.2 电池效率62-63
• 5.2 能耗估算与能源储备系数63-65
• 5.2.1 能耗估算63-64
• 5.2.2 储备能源系数64-65
• 5.3 能源舱的几何约束65-66
• 5.4 深潜器能源系统优化数学模型66-69
• 5.4.1 设计变量66-67
• 5.4.2 目标函数67-68
• 5.4.3 约束条件68-69
• 5.5 本章小结69-70
• 第6章 优化设计方法原理70-75
• 6.1 优化概述70-71
• 6.2 优化方法71-74
• 6.2.1 遗传算法71-72
• 6.2.2 混沌算法72
• 6.2.3 并行方法72-73
• 6.2.4 分层方法73-74
• 6.4 本章小结74-75
• 第7章 扁平大型无人深潜器综合优化分析75-93
• 7.1 扁平大型无人深潜器综合优化系统数学模型75-78
• 7.1.1 优化系统设计变量75
• 7.1.2 优化系统目标函数75-76
• 7.1.3 优化系统约束条件76-78
• 7.2 深潜器综合优化系统设计与使用78-81
• 7.3 重点变量敏感度分析81-83
• 7.4 扁平大型无人深潜器综合优化分析83-88
• 7.4.1 不同目标函数优化分析83-85
• 7.4.2 不同优化方法优化分析85-86
• 7.4.3 不同目标权重优化分析86-88
• 7.5 扁平大型无人深潜器综合优化计算结果88-90
• 7.6 本章小结90-93
• 结论与展望93-95
• 参考文献95-99
• 攻读学位期间发表的学术论文及其他研究成果99-101
• 致谢101

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 谷良贤,龚春林;多学科设计优化方法比较[J];弹箭与制导学报;2005年01期

2 王健,王建华;标准遗传算法的研究进展[J];华东船舶工业学院学报;2000年03期

3 赵敏;操安喜;崔维成;;多学科设计优化方法的比较[J];中国造船;2008年03期

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 于宪钊;苏玉民;王兆立;杨亮;;微小型水下机器人阻力性能的数值模拟[A];2008年船舶水动力学学术会议暨中国船舶学术界进入ITTC30周年纪念会论文集[C];2008年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 俞强;深海无人智能潜水器力学性能和能源系统综合优化方法研究[D];江苏科技大学;2014年

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本文编号：1101218