基于多学科设计优化的潜艇结构—声辐射优化研究

论文摘要

多学科设计优化技术是近年来兴起的一门新技术。其主要设计思想是在复杂系统的整个设计过程中,通过分解和协调等手段将复杂系统分解成为与现有工程设计组织相一致的若干个子系统。充分利用分布式计算机网络技术来集成各个学科的知识或各子系统已有的知识,从全局的角度求解复杂工程系统设计的优化问题。本文以某型号潜艇结构在海水中的结构-声辐射优化为载体和实例进行多学科设计优化的研究工作,将多学科设计优化技术引入到具有典型多个学科耦合特点的结构-声辐射领域的优化设计中,以有效地改善潜艇结构的声学性能。本文在分析结构动力响应方程和声辐射方程基础上,建立了以结构声辐射功率为目标函数的结构-声辐射优化的数学模型,分析了结构-声辐射功率灵敏度。在文章中,分析了进行结构-声辐射多学科设计优化的基本流程,通过集成有限元软件和边界元软件,在多学科设计优化平台上运用遗传算法进行结构-声辐射优化分析。为建立一个声压目标函数与声功率目标函数之间的关系式,并评价场点的声压问题,引入了球形包络面模型。在计算实例中,研究了结构-声辐射的尺寸优化、肋骨分布优化和拓扑优化问题。结构尺寸优化分析了空气中的加肋板结构的声辐射优化问题和在水中的有限长双层加肋圆柱壳结构的声辐射优化问题。同时,运用声辐射功率灵敏度信息结合泰勒展开式,对加肋圆柱壳结构进行了结构-声辐射优化。以肋骨的位置为设计变量,进行了肋骨分布优化。此外,基于改进渐进结构优化法理论,对平板的结构-声辐射拓扑优化进行了探索性研究。最后分别运用声辐射功率灵敏度信息和多学科设计优化平台对某型号潜艇艉部结构进行了结构-声辐射优化分析。数值计算表明,通过优化其声学性能有了很大的改善,优化是有成效的。在本文完成的主要工作有:（1）运用保角映射理论,研究了直角空间域内的结构声辐射问题,分析了边界特性对声辐射功率和声指向性的影响,研究成果开拓了结构-声辐射边界特性的研究范围。（2）运用结构动力响应方程和声辐射方程,推导了声辐射功率的灵敏度公式。并将功率灵敏度信息用于加肋圆柱壳和潜艇结构的声辐射优化中,实现了声辐射优化的目的。（3）建立了以结构-声辐射功率为目标函数的数学模型。运用多学科设计优化理论,分析了进行结构-声辐射优化的流程并建立了相应的集成平台。（4）通过多学科设计优化集成技术,运用遗传算法进行结构-声辐射的尺寸优化、肋骨分布优化和拓扑优化研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文的研究背景和意义
• 1.2 多学科设计优化技术概述
• 1.3 结构-声辐射优化研究概况
• 1.4 本文主要研究内容
• 1.5 本文主要创新点
• 第二章 多学科设计优化理论及其应用
• 2.1 多学科设计优化理论的定义和特点
• 2.2 多学科设计优化理论基本内容
• 2.3 结构-声辐射多学科设计优化研究
• 2.4 本章小结
• 第三章 直角域域内声辐射研究
• 3.1 声学基本理论
• 3.2 Helmholtz 声学方程
• 3.3 直角域内的声格林函数研究
• 3.4 直角域内的声辐射方程
• 3.5 算例
• 3.6 本章小结
• 第四章 结构-声辐射灵敏度分析
• 4.1 结构动力响应分析
• 4.2 结构动力响应灵敏度分析
• 4.3 流固耦合动力学方程
• 4.4 结构-声辐射方程
• 4.5 结构-声辐射灵敏度分析
• 4.6 算例
• 4.7 声功率灵敏度在声辐射优化中应用
• 4.8 本章小结
• 第五章 结构-声辐射多学科设计优化
• 5.1 结构-声辐射优化数学模型
• 5.2 声包络面理论
• 5.3 优化算法
• 5.4 结构-声辐射尺寸优化
• 5.5 肋骨分布优化
• 5.6 本章小结
• 第六章 结构-声辐射拓扑优化研究
• 6.1 拓扑优化概述
• 6.2 渐进结构优化法概述
• 6.3 改进渐进结构优化法
• 6.4 算例
• 6.5 本章小结
• 第七章 潜艇结构-声辐射优化
• 7.1 潜艇结构的基本概况
• 7.2 结构模态分析
• 7.3 结构静力和屈曲分析
• 7.4 结构动力响应分析
• 7.5 结构-声辐射灵敏度分析
• 7.6 结构-声辐射优化研究
• 7.7 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢