魚雷發(fā)動機多學科設計優(yōu)化理論與應用研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代海戰(zhàn)對武器裝備要求的不斷提高，魚雷發(fā)動機設計中涉及到的學科及不同的學科分析技術也不斷增加，特別是魚雷熱動力發(fā)動機的設計優(yōu)化中，各學科自身繁重的學科分析及學科間的耦合，使得產品的設計工作更加復雜，串行設計方法及一體化設計方法由于自身的不足，越來越無法適應日益復雜的發(fā)動機系統(tǒng)的設計工作。本文正是針對這一應用背景而進行研究的。本文通過構造魚雷熱動力發(fā)動機整體設計框架及耦合因素的分析，基于系統(tǒng)論與并行思想，在國內首次對魚雷發(fā)動機的多學科

2、設計優(yōu)化(Multidisciplinary Design Optimization，MDO)方法與應用進行了較為系統(tǒng)的研究。研究主要集中在魚雷熱動力發(fā)動機學科分析理論與方法的應用、熱動力發(fā)動機多學科劃分及耦合因素分析、多學科解耦-重構策略以及在發(fā)動機設計的工程實踐中如何運用多學科設計技術等方面，以期能為魚雷熱動力發(fā)動機多學科設計優(yōu)化研究在理論研究及工程實踐階段的發(fā)展提供思路與參考。
　　本文的研究工作和創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方

3、面：
　?。?）從魚雷熱動力發(fā)動機整體設計的角度出發(fā)，討論其學科設計組成，根據(jù)學科間耦合關系和整體設計過程，構建了熱力發(fā)動機整體設計框架；將費效比、風險及研制周期、可靠性引入到發(fā)動機綜合設計中，建立了相應的分析框架與模型，使發(fā)動機設計與分析更全面合理；基于各學科相關分析理論與方法，進行了動力學、模態(tài)、轉子不平衡響應、溫度場及應力場、臨界轉速、周轉斜盤發(fā)動機模糊故障樹等的分析計算。為實現(xiàn)魚雷熱力發(fā)動機多學科設計優(yōu)化奠定了基礎。

4、>　?。?）研究了魚雷熱動力發(fā)動機設計的多學科劃分方法及其在發(fā)動機MDO中的應用，分析了學科間耦合因素；分別基于多學科可行性法(Multidisciplinary Feasible method，MDF)、協(xié)同優(yōu)化法(Collaborative Optimization，CO)、子空間近似法(Subspace Approximation Optimization method，SAO)、響應面的并行子空間優(yōu)化法(Concurrent S

5、ubspace Optimization,CSSO)建立了發(fā)動機設計優(yōu)化問題相應的解耦-重構框架及數(shù)學模型；研究了魚雷發(fā)動機設計中多目標問題的MDO方法：第一種是將多目標轉化為單目標，然后使用如MDF法、SAO法或基于博弈論的解耦與重構等策略建立MDO模型進行多學科設計優(yōu)化，第二種方式是基于準可分原理與ATC法建立MDO模型進行多學科設計優(yōu)化，第三種方式是基于協(xié)同遺傳進化及Pareto的解耦與重構進行多學科設計優(yōu)化。為魚雷發(fā)動機MDO提

6、供了理論基礎。
　?。?）提出了基于最優(yōu)模糊滿意度的ATC框架；提出了基于近似一致性約束邊界的ATC框架；構建了非層級系統(tǒng)的ATC框架；提出了ATC-SAO系統(tǒng)解耦與重構策略?？紤]到變量的不確定性，將模糊滿意度引入 ATC法中，以最優(yōu)模糊滿意度代替子學科的優(yōu)化目標，用水平截集對模糊約束與常規(guī)約束進行轉化，構建了基于最優(yōu)模糊滿意度的ATC框架。將近似技術引入ATC法中，利用一致性約束邊界的切平面近似該邊界，得到了近似一致性約束邊界的

7、ATC框架，提高了系統(tǒng)收斂精度和效率。構建了非層級系統(tǒng)的ATC框架，使ATC法的應用拓展到非層級系統(tǒng)中。根據(jù)ATC法與近似子空間法各自特點，將兩者結合構建了ATC-SAO的系統(tǒng)解耦與重構策略，能更好地適應發(fā)動機的實際設計環(huán)境。
　?。?）研究了魚雷發(fā)動機設計優(yōu)化的MDO應用。研究了魚雷熱動力發(fā)動機學科分析軟件及程序的iSIGHT集成方法，并基于此搭建可自動進行計算迭代的相關多學科設計軟件框架；結合響應面近似技術和實驗設計方法，采用

8、不同MDO解耦-重構策略，以擺盤式發(fā)動機為例，分別對發(fā)動機整體、活塞零件、活塞-連桿部件、熱力過程及費用最小的可靠性最優(yōu)分配進行了多學科設計優(yōu)化平臺構建及優(yōu)化計算，在驗證MDO優(yōu)化策略有效性及可行性的同時，為魚雷發(fā)動機多學科設計優(yōu)化理論在工程實踐中的實現(xiàn)提供了新的思路和方法。優(yōu)化結果表明，文中所提出的各種方法能夠大大降低學科分析的計算復雜性，改善信息交換的復雜性，從而有效支持產品的設計優(yōu)化，具有理論研究意義和實際應用價值，為魚雷發(fā)動機的