船舶与海洋结构物设计制造专业毕业论文船舶与海洋结构物设计制造专业毕业论文 精品论文精品论文 两级集成两级集成系统协同优化方法及其在深海空间站总体概念设计中的应用系统协同优化方法及其在深海空间站总体概念设计中的应用关键词：深海空间站关键词：深海空间站 两级集成系统两级集成系统 协同优化协同优化摘要：深海空间站是一个高新技术密集、多个学科高度综合的复杂系统工程， 涉及到多个学科内容：水动力学、结构力学、材料、能源与推进、操纵与控制 等。这些学科之间相互联系，有的甚至相互矛盾，使得深海空间站的总体概念 设计呈现典型的“多学科”特点。然而，传统设计方法不能充分地考虑学科之 间的相互影响，且依赖于总体设计专家的经验，由此得到的设计结果往往只是 满足设计要求的解，并非真正的整体最优解，从而导致深海空间站总体性能的 下降。此外，传统设计方法存在设计周期长、效率低的问题，且深海空间站尚 无设计经验可以依靠，故将传统设计方法直接应用于深海空间站的总体概念设 计，会导致整个研发成本的急剧增加，传统设计方法已难以适应深海空间站这 类复杂系统的优化设计。为了应对深海空间站总体概念设计中这样的难题，必 须寻找到一种新的设计理论和方法，从系统的观点突破传统设计方法存在的缺 陷，进而实现深海空间站的整体优化设计。 在这种情况下，本文作为国防科 工委“十一五”重大科技专项“深海空间站主站关键技术研究”的有机组成部 分，引入航空领域迅速发展起来的解决复杂系统优化设计的多学科设计优化方 法(MultidisciplinaryDesignOptimization，MDO)，探索其在深海空间站总体 概念设计应用上的可行性和适用性。论文围绕多学科设计优化方法及其在深海 空间站总体概念设计中的应用，主要进行了以下几方面的研究工作： 1.课题 相关研究领域的综述针对深海空间站的国内外研究进展以及多学科设计优化研 究与应用现状进行了综述。阐述了多学科设计优化在深海空间站总体概念设计 中应用的意义，介绍了多学科设计优化的发展概况、难点以及主要研究内容。 2.多学科设计优化方法的比较研究选取三种具有代表性的多学科设计优化方法： MDF、CO 以及 BLISS 方法，详细介绍了它们的设计思想以及数学模型。采用 NASA 提供的多学科设计优化标准算例，并结合多属性决策法对以上三种多学科 设计优化方法进行了不同初始点的定量比较。研究结果表明：(1)随着工程对象 的不同，所适合的多学科设计优化方法也将不同，没有绝对意义上最好的多学 科设计优化方法；(2)基于 BLISS 和 CO 提出一种新的多学科设计优化方法，将 对深海空间站的总体概念设计有着重要的现实意义。 3.结合 BLISS 和 CO 的 主要特点，提出了两级集成系统协同优化(BLISCO)多学科设计优化方法在保留 协同优化方法协同机制的同时，借鉴 BLISS 将设计变量分为系统级设计变量和 子系统设计变量，并用子系统耦合输出响应的加权和代替一致性约束作为子系 统优化的目标函数，从而提出了 BLISCO 多学科设计优化方法。通过 NASA 提供 的两个多学科设计优化标准算例对 BLISCO 进行了测试。结果表明：BLISCO 在 满足收敛性的同时，具备较佳的准确性与鲁棒性，是一种有效的多学科设计优 化方法，从而为实现深海空间站的总体概念多学科设计优化提供了有力的工具。4.采用 BLISCO 多学科设计优化方法对载人潜水器(HOV)进行总体概念设计为 了更好地实现深海空间站总体概念的多学科设计优化以及探索 BLISCO 方法在潜 器多学科设计优化中的可行性和适用性，采用 BLISCO 方法成功实现了 HOV 总体 概念的多学科设计优化。优化结果显示：HOV 的总体综合性能大大提升，缩短了设计周期，且 BLISCO 方法对于 HOV 总体概念多学科设计优化的综合效果优于 PGA-CO。因此，BLISCO 方法完全可以应用于潜器的多学科设计优化，从而为基 于 BLISCO 方法的深海空间站总体概念多学科设计优化提供工程实例支持。 5.深 海空间站系统集成模型的研究根据深海空间站系统设计的特点，建立了包含外 形、阻力与推进、能源、结构、重量与静水力平衡、以及操纵性六大学科的参 数化系统集成模型，明确了各学科的输入输出关系。通过设计结构矩阵的应用， 建立了合理的设计流程，并发现系统集成模型存在以下两个特点：(1)学科之间 信息的大量交换；(2)只存在设计信息的向前传递，而无信息反馈。因此，深海 空间站的总体概念设计是一个顺序执行的过程，属于弱耦合设计问题。本研究 为即将开展的基于 BLISCO 方法的深海空间站总体概念多学科设计优化奠定了坚 实的基础。 6.BLISCO 方法在深海空间站上的应用研究本研究以深海空间站 系统集成模型为基础，将深海空间站总体概念设计优化问题分解为水动力子系 统、结构子系统以及总体性能子系统，然后采用 BLISCO 方法对其进行多学科设 计优化。BLISCO 方法在深海空间站多学科设计优化中的成功应用表明：(1)结 合 BLISCO 思想提出的深海空间站三子系统分解方法是可行的；(2)BLISCO 方法 可有效应用于深海空间站的总体概念多学科设计优化。 本文创新性的工作总 结如下： 1.结合 BLISS 和 CO 的主要特点，提出了 BLISCO 多学科设计优化方 法。通过标准算例的测试，揭示了 BLISCO 具有诸多优点，是对多学科设计优化 方法的丰富和发展； 2.针对深海空间站的特点，建立了参数化的系统集成模 型，在此基础上将深海空间站的总体概念设计分解为三个子系统，并将本文所 建立的 BLISCO 多学科设计优化方法成功地加以应用，实现了深海空间站总体概 念的多学科设计优化； 3.针对 PGA-CO 在载人潜水器总体概念多学科设计优 化中存在计算量大和效率低的问题，将 BLISCO 多学科设计优化方法应用于载人 潜水器的总体概念设计，有力提升了载人潜水器的总体性能和设计效率，再次 验证了 BLISCO 多学科设计优化方法的优越性。正文内容正文内容深海空间站是一个高新技术密集、多个学科高度综合的复杂系统工程，涉 及到多个学科内容：水动力学、结构力学、材料、能源与推进、操纵与控制等。 这些学科之间相互联系，有的甚至相互矛盾，使得深海空间站的总体概念设计 呈现典型的“多学科”特点。然而，传统设计方法不能充分地考虑学科之间的 相互影响，且依赖于总体设计专家的经验，由此得到的设计结果往往只是满足 设计要求的解，并非真正的整体最优解，从而导致深海空间站总体性能的下降。 此外，传统设计方法存在设计周期长、效率低的问题，且深海空间站尚无设计 经验可以依靠，故将传统设计方法直接应用于深海空间站的总体概念设计，会 导致整个研发成本的急剧增加，传统设计方法已难以适应深海空间站这类复杂 系统的优化设计。为了应对深海空间站总体概念设计中这样的难题，必须寻找 到一种新的设计理论和方法，从系统的观点突破传统设计方法存在的缺陷，进 而实现深海空间站的整体优化设计。 在这种情况下，本文作为国防科工委 “十一五”重大科技专项“深海空间站主站关键技术研究”的有机组成部分， 引入航空领域迅速发展起来的解决复杂系统优化设计的多学科设计优化方法 (MultidisciplinaryDesignOptimization，MDO)，探索其在深海空间站总体概 念设计应用上的可行性和适用性。论文围绕多学科设计优化方法及其在深海空 间站总体概念设计中的应用，主要进行了以下几方面的研究工作： 1.课题相 关研究领域的综述针对深海空间站的国内外研究进展以及多学科设计优化研究 与应用现状进行了综述。阐述了多学科设计优化在深海空间站总体概念设计中 应用的意义，介绍了多学科设计优化的发展概况、难点以及主要研究内容。 2.多学科设计优化方法的比较研究选取三种具有代表性的多学科设计优化方法： MDF、CO 以及 BLISS 方法，详细介绍了它们的设计思想以及数学模型。采用 NASA 提供的多学科设计优化标准算例，并结合多属性决策法对以上三种多学科 设计优化方法进行了不同初始点的定量比较。研究结果表明：(1)随着工程对象 的不同，所适合的多学科设计优化方法也将不同，没有绝对意义上最好的多学 科设计优化方法；(2)基于 BLISS 和 CO 提出一种新的多学科设计优化方法，将 对深海空间站的总体概念设计有着重要的现实意义。 3.结合 BLISS 和 CO 的 主要特点，提出了两级集成系统协同优化(BLISCO)多学科设计优化方法在保留 协同优化方法协同机制的同时，借鉴 BLISS 将设计变量分为系统级设计变量和 子系统设计变量，并用子系统耦合输出响应的加权和代替一致性约束作为子系 统优化的目标函数，从而提出了 BLISCO 多学科设计优化方法。通过 NASA 提供 的两个多学科设计优化标准算例对 BLISCO 进行了测试。结果表明：BLISCO 在 满足收敛性的同时，具备较佳的准确性与鲁棒性，是一种有效的多学科设计优 化方法，从而为实现深海空间站的总体概念多学科设计优化提供了有力的工具。4.采用 BLISCO 多学科设计优化方法对载人潜水器(HOV)进行总体概念设计为 了更好地实现深海空间站总体概念的多学科设计优化以及探索 BLISCO 方法在潜 器多学科设计优化中的可行性和适用性，采用 BLISCO 方法成功实现了 HOV 总体 概念的多学科设计优化。优化结果显示：HOV 的总体综合性能大大提升，缩短 了设计周期，且 BLISCO 方法对于 HOV 总体概念多学科设计优化的综合效果优于 PGA-CO。因此，BLISCO 方法完全可以应用于潜器的多学科设计优化，从而为基 于 BLISCO 方法的深海空间站总体概念多学科设计优化提供工程实例支持。 5.深 海空间站系统集成模型的研究根据深海空间站系统设计的特点，建立了包含外形、阻力与推进、能源、结构、重量与静水力平衡、以及操纵性六大学科的参 数化系统集成模型，明确了各学科的输入输出关系。通过设计结构矩阵的应用， 建立了合理的设计流程，并发现系统集成模型存在以下两个特点：(1)学科之间 信息的大量交换；(2)只存在设计信息的向前传递，而无信息反馈。因此，深海 空间站的总体概念设计是一个顺序执行的过程，属于弱耦合设计问题。本研究 为即将开展的基于 BLISCO 方法的深海空间站总体概念多学科设计优化奠定了坚 实的基础。 6.BLISCO 方法在深海空间站上的应用研究本研究以深海空间站 系统集成模型为基础，将深海空间站总体概念设计优化问题分解为水动力子系 统、结构子系统以及总体性能子系统，然后采用 BLISCO 方法对其进行多学科设 计优化。BLISCO 方法在深海空间站多学科设计优化中的成功应用表明：(1)结 合 BLISCO 思想提出的深海空间站三子系统分解方法是可行的；(2)BLISCO 方法 可有效应用于深海空间站的总体概念多学科设计优化。 本文创新性的工作总 结如下： 1.结合 BLISS 和 CO 的主要特点，提出了 BLISCO 多学科设计优化方 法。通过标准算例的测试，揭示了 BLISCO 具有诸多优点，是对多学科设计优化 方法的丰富和发展； 2.针对深海空间站的特点，建立了参数化的系统集成模 型，在此基础上将深海空间站的总体概念设计分解为三个子系统，并将本文所 建立的 BLISCO 多学科设计优化方法成功地加以应用，实现了深海空间站总体概 念的多学科设计优化； 3.针对 PGA-CO 在载人潜水器总体概念多学科设计优 化中存在计算量大和效率低的问题，将 BLISCO 多学科设计优化方法应用于载人 潜水器的总体概念设计，有力提升了载人潜水器的总体性能和设计效率，再次 验证了 BLISCO 多学科设计优化方法的优越性。 深海空间站是一个高新技术密集、多个学科高度综合的复杂系统工程，涉及到 多