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

发布时间：2017-08-26 10:23

  本文关键词：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

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【摘要】：深海发展战略是二十一世纪最重要的发展战略之一，特别是深海海洋平台和深海深潜器的发展，深海无人智能潜水器初步设计与优化是潜水器设计的重要组成部分。潜水器系统之复杂耦合度之高，其设计需要更高精度的数学建模方法和效率更高的优化方法来实现。本文通过深入分析深潜器快速性、操纵性、能源舱和控制舱各个系统基本性能指标，基于设计航程为100km、潜深为2000m的深潜器综合性能提出了优化数学模型和优化计算效率较高的并行分层优化算法，利用层次分析法和模糊评判方法建立系统综合优化目标函数，并用VC++语言编写了深海无人深潜器软件系统，对深潜器性能进行综合优化。论文的研究工作总结如下： 1.选取AUTOSUB、REMUS、BLUEFIN1（流线型），BLUEFIN2（钝线性）、HUGIN附体只包含十字舵或者整流罩的五种典型回转型深潜器裸艇体型线，利用多种湍流模式进行阻力数值模拟得到阻力计算值，并用ITTC理论计算值校核得到SST-kω误差最小；基于升力线理论程序设计了二叶螺旋桨并通过实验验证其敞水性能，形成回转型深潜器快速性优化系统，初步优化得到在2kn~5kn航速下AUTOSUB线型深潜器阻力性能综合最佳。考虑到AUTOSUB线型深潜器布放和舱容的需要，将深潜器平行中体底部修改成平底形状，得到目标深潜器无量纲数值型线，利用中心试验设计方法（DOE）将艇体首部、中部、尾部长度和型宽数值离散，建立135个有限元结构模型，包括1080个设计工况，利用无量纲分析方法和多元曲线拟合分析方法得到粘压阻力系数和摩擦阻力系数响应面，最终建立了目标深潜器快速能优化子系统。 2.分析深潜器垂直面和水平面的操纵机动性和稳定性，基于主艇体尺度估算裸艇体附加质量系数并计算主艇体水动力导数，利用薄翼理论近似估算附体水动力导数，最终相加得到深潜器水动力导数，包括加速度导数、速度导数、角速度导数以及舵水动力导数，综合深潜器操纵性能建立优化子模型，选取水平面稳定性指标（冲角静不定系数、垂直面动稳定衡准数、定深直线运动纵倾角、定深运动平衡舵角、垂直面自由扰动操纵稳定性方程最小特征根）、水平面性指标（垂直面运动升速率、垂直面运动逆速、垂直面运动初转期）、水平面稳定性指标（漂角静不定系数、直线运动稳定衡准数和水平面自由扰动操纵稳定性方程最小特征根）、水平面机动性指标（定常回转舵效指数、水平面运动初转期）共13个优化子目标函数。 3.分析能源系统性能以及满足约束，主要包括电池箱电能配置、电池箱电路连接、电池箱几何布置。能源系统耗电包括控制电和动力电，电池箱一方面需要满足深潜器系统的电压需求又要满足深潜器能源约束和能源舱几何约束，选取控制电和动力电的电路效率、能源储备效率和能源舱能重比为子目标函数并基于层次分析和模糊评判方法建立能源系统优化总目标函数。 4.分析控制舱耐压壳系统，利用薄壳理论选取相对比质量作为控制舱优化目标函数，基于弹性力学稳定性理论和强度理论，提出了控制舱耐压壳满足的约束条件，，强度条件包括壳条梁中点、两端和肋骨满足强度校核，稳定性条件包括肋骨间壳板局部稳定性和环肋圆柱壳总体稳定性，最终提出了控制舱耐压壳子系统优化数学模型。 5.阐述了优化算法的并行、分层策略，提出优化空间的约束松弛策略和基于重点变量的并行优化算法，研究了混沌算法、遗传算法的基本理论流程并利用C++编写相应算法的程序，基于深潜器综合优化模型提出了基于遗传算法的并行混合分层算法，包括并行遗传算法、分层遗传算法和遗传禁忌搜索混合算法。综合深潜器四大子系统提出了深潜器总体优化数学模型。根据优化设计变量对系统影响将设计变量分为系统级设计变量，子系统间耦合变量以及子系统内部优化变量；分析深潜器综合优化数学模型提出基于AHP法的系统总优化多目标函数，基于不同优化算法进行优化，得到分层遗传算法的综合优化效果最佳，选取该算法对优化子系统进行联合测试，发现综合性能优化系统总目标函数对快速性子系统权重最为敏感。
【关键词】：水下无人潜水器（UUV） 综合性能 模糊评判 优化设计 层次分析法（AHP）
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U674.941
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-16
• 第一章 绪论16-26
• 1.1 课题研究目的与意义16-17
• 1.2 深潜器总体优化研究现状17-22
• 1.2.1 深海无人深潜器最新发展现状17-20
• 1.2.2 深潜器总体性能研究发展现状20-22
• 1.3 多学科优化方法和优化算法研究进展22-23
• 1.4 本文研究内容与结构23-26
• 第二章 深潜器快速性优化设计模型26-56
• 2.1 回转型深潜器主艇体设计26-30
• 2.1.1 回转型深潜器裸艇体参数设置26-27
• 2.1.2 十字舵和整流罩设计27-28
• 2.1.3 数值艇几何建模和 CFD 数值分析28-30
• 2.2 不同型线回转型深潜器裸艇体阻力优化分析30-46
• 2.2.1 深潜器阻力分类30-31
• 2.2.2 响应面多元拟合原理31-34
• 2.2.3 艇体数值模拟和阻力性能分析34-40
• 2.2.4 回转型深潜器优化系统初步构造与优化分析40-45
• 2.2.5 回转型深潜器平行中底改进设计45-46
• 2.3 基于响应面方法深潜器阻力优化系统详细设计46-50
• 2.3.1 深潜器艇体阻力计算方法46-47
• 2.3.2 深潜器阻力优化系统的构造47-49
• 2.3.3 响应面精度统计分析49-50
• 2.4 深潜器型线设计及稳性计算50-53
• 2.4.1 深潜器数值艇型线设计50-52
• 2.4.2 深潜器总布置设计52
• 2.4.3 深潜器重心和浮心估算52-53
• 2.5 深潜器快速性优化设计模型53-55
• 2.5.1 螺旋桨几何参数及性能分析53-54
• 2.5.2 无人深潜器快速性综合优化数学模型54-55
• 2.6 本章小结55-56
• 第三章 深潜器操纵性优化设计模型56-90
• 3.1 深潜器运动参数及水动力分类56-60
• 3.1.1 水平面和垂直面运动主要参数57-58
• 3.1.2 深潜器水动力分类58-59
• 3.1.3 深潜器水平面和垂直面操纵运动方程59-60
• 3.2 水动力导数的估算和修正60-67
• 3.2.1 水动力符号及意义60-62
• 3.2.2 水动力导数的估算方法62-67
• 3.3 UUV 垂直面运动性能指标67-74
• 3.3.1 垂直面运动稳定性指标67-72
• 3.3.2 垂直面运动机动性指标72-74
• 3.4 UUV 水平面运动性能指标74-77
• 3.4.1 水平面运动稳定性指标74-77
• 3.4.2 水平面运动机动性指标77
• 3.5 基于层次分析法深潜器操纵性能优化数学模型77-89
• 3.5.1 深潜器操纵性综合模糊评判模型77-86
• 3.5.2 深潜器操纵性能综合优化模型86-89
• 3.6 本章小结89-90
• 第四章 深潜器能源系统设计与优化模型90-98
• 4.1 电池选择与电路连接90-91
• 4.2 能耗估算与布置设计91-94
• 4.3 能源舱的几何参数94-96
• 4.4 能源系统综合优化数学模型96-97
• 4.4.1 优化设计变量96
• 4.4.2 目标函数96-97
• 4.4.3 约束条件97
• 4.5 本章小结97-98
• 第五章 控制舱耐压壳结构优化设计模型98-108
• 5.1 耐压壳控制舱结构设计98-99
• 5.2 基于薄壳理论耐压控制舱优化数学模型99-106
• 5.2.1 控制耐压舱应力分析99-102
• 5.2.2 控制舱强度计算与校核102-103
• 5.2.3 控制舱稳定性计算与校核103-106
• 5.3 深潜器控制舱结构性能综合优化模型106
• 5.4 本章小结106-108
• 第六章 基于并行分层策略改进的优化算法108-126
• 6.1 优化系统优化算法改进策略108-114
• 6.1.1 优化算法并行策略108-110
• 6.1.2 优化算法分层策略110-111
• 6.1.3 优化算法约束松弛策略111-112
• 6.1.4 重点变量的并行优化算法112-114
• 6.2 优化算法的构造114-121
• 6.2.1 单一优化算法114-119
• 6.2.2 基于遗传算法的并行混合分层算法119-121
• 6.3 算法分析与测试121-124
• 6.4 本章小结124-126
• 第七章 深海无人深潜器综合性能系统优化分析126-140
• 7.1 深海无人深潜器综合性能优化数学模型126-131
• 7.1.1 优化系统设计变量126
• 7.1.2 基于层次分析法和模糊评判方法总目标函数126-130
• 7.1.3 优化系统系统约束条件130-131
• 7.2 深海无人深潜器系统优化分析131-136
• 7.2.1 优化设计变量系统分析131-132
• 7.2.2 不同优化算法优化分析132-136
• 7.3 深潜器优化子系统联合优化136-139
• 7.3.1 深潜器快速性和操纵性能联合优化136-137
• 7.3.2 深潜器快速性和能源系统联合优化137-138
• 7.3.3 深潜器快速性、操纵性和能源系统联合优化138-139
• 7.4 本章小结139-140
• 结论与展望140-144
• 参考文献144-148
• 附录1148-156
• 附录2156-160
• 攻读学位期间发表的学术论文及其他研究成果160-162
• 致谢162

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 卜广志;张宇文;;A Multidisciplinary Design Optimization Model for AUV Synthetic Conceptual Design[J];Journal of China Ordnance;2006年04期

2 徐海军;谢海斌;张代兵;;微小型水下机器人推进方式的比较研究[J];兵工自动化;2009年04期

3 赵加鹏;张云海;任

本文编号：741039