基于参数化的载人潜水器总体设计与优化

发布时间：2020-03-28 08:15

【摘要】：随着经济的发展和社会的进步,陆地资源日趋枯竭,人类对于海洋资源的开发与利用也愈加重视,在这种情况下,海洋装备作为人类从事海洋开发的重要工具得到了飞速的发展。载人潜水器作为一种重要的海洋装备,具有其突出的优点与特殊性,近年来其发展已呈现出全海深、高性能、多功能、工程化等发展态势。总体设计是载人潜水器设计与研究的关键阶段,对于其总体性能的优劣有着决定性的影响,因此,开展载人潜水器总体设计优化方法的研究对于其总体性能的提升,乃至促进载人潜水器技术的进步均有重要的影响。本文将载人潜水器设计与多学科优化相结合,主要开展了以下工作:针对载人潜水器的学科特点对载人潜水器进行了学科分解工作,将其划分为耐压结构学科、阻力学科、推进学科、能源学科,并确定了总体设计的相关参数。根据耐压结构设计原则,从材料选择和结构形式两个角度,以规范和有限元为基础,进行了耐压结构的初始设计工作。在耐压结构的基础上,采用CFD方法完成了阻力学科的初始设计,并针对初始设计结果进行了理论对比,验证了利用CFD方法进行阻力计算的准确性。研究设计了耐压结构学科和阻力学科的参数化分析流程,并分析了参数化过程中的样本点采样方法。基于Python与Java语言分别对结构有限元分析软件ABAQUS和计算流体力学软件STAR-CCM+的宏文件进行了二次开发,实现了参数驱动下三维建模、网格划分、边界条件等的自动连续分析计算,得到了建立近似模型需要的试验设计样本点,并针对耐压结构和外形阻力的设计变量进行了学科性能分析。介绍了近似模型技术和常用的近似模型,分别采用克里金模型、径向基函数神经网络模型和响应面模型对结构学科和阻力学科的试验设计样本点进行拟合测试,测试结果显示响应面模型具有更好的拟合效果。因此,利用响应面模型分别对耐压结构学科、阻力学科和推进学科进行了试验设计样本点的拟合,得到了能够满足工程要求的学科分析模型,并利用推进学科的响应值和经验公式建立了能源学科的分析模型。介绍了常用的多目标搜索策略和优化策略,以总体设计优化参数、总体设计优化数据流为基础,建立了载人潜水器总体设计优化的数学模型。利用优化结果针对两种不同搜索策略进行了比较分析,采取方案贴近性较好的第二代非支配解排序遗传算法(NSGA-Ⅱ),获得了最终的总体设计优化结果,通过与初始方案的比较得到了三种较典型的优化方案,为其他载人潜水器的总体设计工作提供了参考与借鉴。
【图文】：

阿尔文

图１．１阿尔文号逦图１．２Ｓｈｉｎｋａｉ６５００逡逑

挑战者,深海,载人潜水器

—逡逑图１．３邋“深海挑战者”号逦图１．４邋“蚊龙”号逡逑１．３载人潜水器多学科研究现状逡逑载人潜水器总体设计中，涵盖了如耐压结构学科、外形阻力学科、推进学科等众多逡逑专业领域，，近年来，众多学者把总体设计工作划分为一些具体学科，但在研宄的过程中逡逑也体现了不同的方法和思路。ＭｃＡｌｉｓｔｅｒＣ．Ｄ＾等把潜水器划分为观导控制、有效载荷、逡逑动力、机械、推进五个学科，应用可行性方法优化策略进行了总体方案设计；ＨａｒｔＣ．Ｇｗ逡逑等以潜器快速性、操纵性和结构等为学科级优化模型，把优化目标设定为耐压结构的制逡逑造费用，将ＭＤＯ与概念设计相结合，进行了相关应用与研宄工作；刘蔚％将７０００米级逡逑载人潜水器划分为载人球壳结构、流体阻力与推进学科，采用变复度模型法分析载人球逡逑壳结构，利用水动力实验拟合流体阻力，其余基于经验公式进行建模，进行了邋７０００米逡逑级载人潜水器总体设计优化工作。逡逑虽然载人潜水器划分的学科有时较少
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U674.941

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