船舶多学科设计优化建模研究

论文摘要

船舶设计是一项设计周期长、技术密度高、涉及学科广的复杂工程,它的设计涉及到水动力、结构等诸多学科的知识。随着计算机技术的突飞猛进,各学科理论得到了蓬勃发展,人们能够采用更高精度的模型进行学科分析与设计,各学科设计取得了长足的进步。然而,与各学科设计的蓬勃发展相比,船舶总体设计方法发展却比较缓慢。虽然传统的船舶串行设计方式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,但是它们没有考虑到各学科之间的相互耦合而产生的协同效应,割裂了各学科之间的相互影响,无法得到系统整体最优解且低效、耗时。面对传统设计思想在船舶总体设计中所遇到的问题,引入多学科设计优化技术成为一种现代设计理念。多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization, MDO)是一种充分探索和利用系统中相互作用的协同机制来设计复杂工程系统和子系统的方法论,它能够充分考虑各因素之间的相互影响,协调各方利益,获得较和谐的设计结果。船舶设计优化具有明显的多学科特点,将多学科设计优化方法引入到其设计领域也必将具有十分广阔的发展空间和现实意义。协同优化方法是一种有效的多学科设计优化方法,其思想与船舶的设计组织形式相吻合,本文主要研究了船舶总体多学科协同设计优化建模,具体如下：(1)回顾常用的多学科设计优化算法,分别介绍了各算法的算法结构以及它们的优缺点。(2)针对船舶设计的特点,将船舶设计划分为船型、重量、舱容、快速性、稳性、耐波性、操纵性、总布置、结构、经济性等相对独立的学科。对总布置和结构学科仅进行了理论上的阐述分析,其他各学科在学科分析的基础上,建立了各学科的数学分析模型,明确了各学科的设计变量和状态变量,同时理清了学科间的耦合关系。(3)依据协同优化算法框架,建立了船舶协同优化数学模型,利用商业软件iSIGHT实现了油船的设计优化工作,实现了各学科的并行设计优化,表明协同优化方法可以在船舶等复杂系统的多学科设计优化中应用。通过本文研究,表明多学科设计优化方法在提高船舶总体设计优化方面具有巨大潜力。另外,本文建立船舶多学科设计优化模型框架,为多学科设计优化方法在船舶设计中的进一步应用打下技术基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究背景与意义
• 1.2 船舶多学科设计优化问题的提出
• 1.2.1 船舶设计的特点
• 1.2.2 传统船舶设计方法的不足
• 1.3 多学科设计优化方法的研究应用现状
• 1.4 本文的主要内容和组织结构
• 第2章 多学科设计优化技术理论
• 2.1 MDO问题及其相关的概念和定义
• 2.1.1 多学科设计优化的定义
• 2.1.2 多学科设计优化的特点
• 2.1.3 多学科设计优化的问题描述
• 2.2 多学科设计优化的主要研究内容
• 2.3 常用多学科设计优化方法
• 2.3.1 多学科可行方法
• 2.3.2 单学科可行方法
• 2.3.3 并行子空间优化算法
• 2.3.4 协同优化算法
• 2.4 本章小结
• 第3章 船舶多学科设计优化学科划分与分析
• 3.1 船舶初步设计阶段MDO的引入
• 3.2 船舶总体设计的学科划分与学科分析
• 3.2.1 船型学科分析模型
• 3.2.2 重量学科分析模型
• 3.2.3 舱容学科分析模型
• 3.2.4 快速性学科分析模型
• 3.2.5 稳性学科分析模型
• 3.2.6 耐波性学科分析模型
• 3.2.7 操纵性学科分析模型
• 3.2.8 总布置学科分析
• 3.2.9 结构学科分析
• 3.2.10 经济性学科分析
• 3.3 船舶设计学科耦合关系分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 船舶多学科协同设计优化
• 4.1 船舶总体设计问题说明
• 4.2 船舶总体设计协同优化框架
• 4.3 船舶总体设计协同优化数学模型
• 4.3.1 系统级优化模型
• 4.3.2 学科级优化模型
• 4.4 协同优化算法框架在iSIGHT中的表述
• 4.5 优化实例
• 第5章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 全文展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文