新型水面高速無人艇性能綜合優(yōu)化初步研究.pdf

1、水面無人艇作為一種水面自航載體，具有體積小、航速高、智能控制等優(yōu)點，并配有雷達(dá)、聲納、攝像機(jī)以及一些小型武器等設(shè)備，可以完成收集和傳播信息、監(jiān)視海洋情況、地形勘察、搜救、探測、導(dǎo)航和作戰(zhàn)等多種任務(wù)，隨著無人艇功能的增加，它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。研究水面無人艇的快速性、耐波性、操縱性以及抗傾覆性對艇型設(shè)計和艇體的流體動力學(xué)性能分析都顯得十分重要，而水面無人艇性能綜合優(yōu)化設(shè)計對無人艇的設(shè)計與研究有著不可替代的作用，國內(nèi)外也越來越重

2、視對該領(lǐng)域的研究。
　　本文以一種新型水面高速無人艇艇型為研究對象，兼顧快速性、操縱性、耐波性和抗傾覆性能建立此類水面高速無人艇性能綜合優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。將數(shù)學(xué)模型與優(yōu)化算法接口，設(shè)計并編制出符合該水面高速無人艇的基于多種優(yōu)化算法的綜合優(yōu)化軟件。具體研究步驟總結(jié)如下：
　　1.選取一種具有防飛濺條和水翼的滑行艇作為研究對象，根據(jù)防飛濺條尺寸、水翼尺寸、水翼位置和不同的艇型參數(shù)建立幾何模型，并使用FINE/Marine軟件進(jìn)行網(wǎng)格

3、劃分和阻力計算，進(jìn)而建立該類艇體的阻力數(shù)據(jù)庫，并對不同艇體參數(shù)的水動力性能做對比分析。研究表明，加水翼或者防飛濺條都可以增加艇體的升力，使艇體更快的進(jìn)入滑行狀態(tài)，而同時加水翼和防飛濺條的艇體更能改善滑行艇的阻力性能。
　　2.使用多項式響應(yīng)面法，根據(jù)CFD阻力數(shù)據(jù)對該類艇體的總阻力、摩擦阻力、升力、靜濕面積和靜排水量進(jìn)行多項式響應(yīng)面公式擬合，從而為建立快速性優(yōu)化數(shù)學(xué)模型提供基礎(chǔ)。選取快速性優(yōu)化設(shè)計變量，將海軍系數(shù)作為快速性優(yōu)化的評

4、價函數(shù)，并構(gòu)造其約束條件，最終建立快速性優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。
　　3.基于系統(tǒng)辨識理論和多種優(yōu)化算法的程序設(shè)計思想，完成該類艇體的回轉(zhuǎn)運動、Z形運動和橫搖運動的辨識軟件設(shè)計，并結(jié)合該類艇體操縱性實驗數(shù)據(jù)，進(jìn)行辨識計算獲得操縱性優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。選取操縱性優(yōu)化設(shè)計變量，并選取直線穩(wěn)定性衡準(zhǔn)數(shù)、最小相對回轉(zhuǎn)直徑和轉(zhuǎn)首指數(shù)共三個評價函數(shù)作為操縱性優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，并構(gòu)造其約束條件，建立操縱性優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。
　　4.對該類艇體進(jìn)行橫搖運動試驗，

5、然后使用辨識軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行橫搖辨識計算和分析，一方面得到了較佳的橫搖運動方程，同時也驗證了橫搖辨識軟件中算法的可靠性。使用響應(yīng)面方法對縱搖有義值和垂蕩有義值進(jìn)行計算公式的擬合，進(jìn)而實現(xiàn)對無人艇的縱搖有義值和垂蕩有義值的預(yù)報?？紤]到縱搖、垂蕩和橫搖的影響，選取無因次衰減系數(shù)、縱搖有義值和垂蕩有義值作為耐波性系統(tǒng)的三個性能優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并建立耐波性優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。研究了該艇體的穩(wěn)性，分析了其傾覆后的受力情況，估算其傾覆后的初穩(wěn)性高公式，最

6、終選取正浮的初穩(wěn)性高和翻轉(zhuǎn)后的初穩(wěn)性高作為抗傾覆性的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并建立抗傾覆性優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。
　　5.綜合船舶的快速性、操縱性、耐波性和抗傾覆性的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造該類水面高速無人艇性能綜合優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)約束條件設(shè)計其懲罰函數(shù)，最終構(gòu)造出此類水面高速無人艇性能綜合優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。分析各種智能優(yōu)化算法的特征，用C＃語言編制遺傳算法、混沌算法、粒子群算法和復(fù)合形算法，并結(jié)合并行和分層策略來提高算法的優(yōu)化性能，同時通過不同的改進(jìn)策略