基于多目标遗传算法的潜器外形优化设计

计算流体力学软件应用于潜水器外形优化设计时,精度虽高,但效率低下。因此研究了试验设计和响应面模型技术,提出了一个潜水器外形优化设计的策略。其基本思想是:首先应用Gambit软件的日志文件建立起水动力分析模型,然后根据设计要求选取设计变量,用试验设计的方法在设计变量空间里选取样本点并进行阻力性能计算,得到各样本点的响应,并建立阻力、包络体积的二阶多项式模型响应面模型。潜水器设计时需要考虑能源与设备布置要求,因此将阻力与体积作为艇型优化的两个目标,研究了多目标遗传算法,并给出了Pareto最优解集。结果表明,文中采用近似模型的艇型优化过程,不但效率得到提高,精度也能得到保证,而且由CFD结果建立的阻力估算公式可以为后续设计带来很高的参考价值。     

基于SVR近似模型的潜水器外形优化

流体仿真软件在船舶与海洋结构物概念设计阶段应用广泛。针对潜器外形设计过程中,仿真分析往往需要耗费大量的时间成本,无法直接与优化器结合的问题,本文研究基于支持向量回归机(Support Vector Regression,SVR)的潜器外形优化方法,包括拉丁超立方试验设计选取样本点、基于ICEM的潜器参数化建模和网格自动划分、基于Fluent的阻力计算及SVR模型的构造。采用改进的粒子群算法求解潜器外形优化设计问题,得到了阻力性能优良的潜器外形。     

基于SVR近似模型的潜水器外形优化

流体仿真软件在船舶与海洋结构物概念设计阶段应用广泛。针对潜器外形设计过程中,仿真分析往往需要耗费大量的时间成本,无法直接与优化器结合的问题,本文研究基于支持向量回归机（Support Vector Regres-sion, SVR）的潜器外形优化方法,包括拉丁超立方试验设计选取样本点、基于 ICEM的潜器参数化建模和网格自动划分、基于 Fluent的阻力计算及 SVR模型的构造。采用改进的粒子群算法求解潜器外形优化设计问题,得到了阻力性能优良的潜器外形。     

基于代理模型的水下航行体头型优化设计方法研究

文章采用Kriging代理模型技术针对水下航行体头型优化设计开展研究。采用CFD方法分析了不同头型水下航行体的流体动力性能,将性能参数作为初始样本建立代理模型;根据测试样本点的预测均方误差选择加点策略更新代理模型,提高代理模型预测精度;采用非劣分类遗传算法对阻力和表面压力开展多目标优化,寻找近似最优解。结果表明:基于代理模型技术的水下航行体头型多目标优化设计方法可以有效提高设计效率,获得具有良好水动特性的航行体头型。     

近似技术在船型阻力性能优化中的应用研究

船体型线优化过程中,通常要利用高精度的CFD软件对船舶的相关性能进行数值求解。这将耗费大量的时间,导致船型优化效率降低。为有效提高船型优化的效率,提出将近似技术应用于船型自动优化中,以代替CFD数值求解。探讨了样本点选取、样本集形成及近似模型实现途径等问题。以一艘1300TEU集装箱船的线型优化为例,构建船体兴波阻力的Kriging近似模型,并将其应用于球鼻首的优化中。计算结果表明,基于Kriging模型的船型优化是一种实用而且有效的方法。     

基于克里金模型的潜水器耐压舱结构优化

本文研究Kriging建模和序贯加点相结合的方法,用于解决目标函数或者约束函数无法显式表达下的优化问题。在加点准则中为了避免出现龙格现象,改进了加点优化时步长要求,在优化过程中融入多种群遗传算法提高了序贯加点值的计算准确性。计算结果表明,改进后的加点准则在存在多区域或者多个极值点的情况下均可快速搜索到最优点位置。建立了载人潜水器载人舱以重量为优化目标,以强度要求为约束的球壳厚度优化模型,采用此方法在初始选取5个样本取样,序贯加点6个样本点,计算得到球壳的最优厚度值为50.5569 mm,可有效指导设计工作。     

载人潜器阻力性能的数值计算和模型试验及船型优化

采用多块结构化网格对某载人潜器模型周围计算区域进行网格离散,采用Realizable k-ε湍流模型对潜器周围绕流场进行数值模拟.在船模拖曳水池中进行载人潜器模型不同艏向角和垂直上升及下潜航行时的阻力试验.将阻力的数值计算结果与试验值进行对比,两者的偏差在可接受范围内.考虑载人潜器主体的舯纵剖面的二维外形,用多岛遗传算法对其粘性流场的阻力数值计算结果进行船型的一体化优化,得到二维阻力最小的优化外形.将舯纵剖面外形的优化结果应用到三维载人潜器主体,比较优化前后的主体阻力.数值计算结果表明,载人潜器主体外形优化前后阻力的优化收效在30%以上.     

KCS艏艉型线优化及其对推进效率的影响

对KCS的船首和船尾型线优化开展研究。船体采用径向基函数描述，艏部型线以减小总阻力为目标，艉部型线则侧重于降低尾流不均匀度，以期提高推进效率。在优化过程中，利用基于拉丁超立方采样点构建Kriging近似模型替代直接计算流体力学（CFD）模拟。分别采用多岛遗传算法和非支配排序遗传算法-Ⅱ开展单目标和多目标优化，避免优化的早熟。结果表明，在服务航速下，优化船型的总阻力降低了1.36%，优化船型的伴流目标函数降低了10.2%。在此基础上，进一步针对优化过程中产生的3个优化船型以及原始船型，选用KP505桨进行自航模拟，结果显示虽然阻力有些许增大，但伴流不均匀度明显降低的优化船型的推进效率更优，相对于原始船型，其推进效率最高提升了1.08%。     

基于MOGA的潜器快速性和操纵性综合优化研究

基于Pareto解的多目标优化方法NSGA-II应用至潜器的快速性与操纵性综合优化设计之中。通过回转体潜器阻力性能的数值计算结果建立了阻力的近似计算模型,并与系列模型试验结果进行了比较;通过估算潜器的水动力系数,根据水平面线性运动方程得出水平面操纵运动稳定性和机动性的衡准指标。优化后,得到了阻力与回转直径的Pareto最优解的散点图,设计者可针对不同需求的潜器,从中进行选择,保证了Pareto最优解对应的每一艇型设计方案在满足操纵性要求下阻力最小,或在该阻力值的条件下操纵性最优。     

基于Kriging模型的深潜器多球交接耐压壳结构优化

基于Kriging模型对深潜多球交接耐压壳进行了结构优化研究.通过试验设计选取样本点,采用非线性有限元方法计算样本的极限强度,建立了Kriging模型,针对不同工作深度的耐压壳进行结构优化.研究结果表明,Kriging模型具有较高的精度,并且克服了优化算法与非线性有限元模型直接结合所带来的计算量巨大且难以得到正确的梯度信息的困难,是求解深潜多球交接耐压壳结构优化问题的有效途径.     

高效优化算法在船舶力学中的应用研究

作为一种贝叶斯优化算法,高效全局优化算法(EGO)利用克里格模型来构造近似模型,并采用样本填充准则以寻找下一个样本点来更新近似模型.文中详细介绍了该优化算法,并将其应用于船舶力学的两个典型优化例子.其中一个是潜艇的多学科概念设计,考虑了水动力、推进、重量、性能和成本5个学科;另外一个是屈曲状态下加筋板的优化问题.与传统优化相比,高效全局优化算法不仅收敛到全局最优解,而且更加有效.结果表明高效优化算法非常适用于船舶力学中的优化问题.     

船舶初步设计的多目标优化研究(英文)

提出了应用于船舶初步设计的多目标优化策略和决策方法.详细介绍了集成模型分析和优化算法的多目标优化求解思路,并使用改进的非支配排序遗传算法获取优化问题的Pareto解集.针对多目标优化问题中各子目标之间存在相互冲突、不能同时达到最优的特性,采用多属性决策理论对设计空间进行计算分析,找出.Pareto前沿面上的最优解.以散货船的初步设计为实例,对多目标优化策略和决策方法进行了验证分析.结果表明优化策略和决策方法不仅是可靠的、实用的,而且能广泛应用于各类船舶初步设计的优化与决策分析中.该文为船舶的初步设计提供了一条新途径.     

改进Sobol’方法在船型优化模型中的应用

针对船型优化中采用更多的优化变量有可能带来"维度灾难"的问题,通过灵敏度分析确定不重要的变量并降维来缓解该问题。介绍以往提出的改进Sobol’方法,利用该方法对某集装箱船兴波阻力优化模型进行灵敏度分析并降维。为减少分析的计算量,对该船型优化模型构建Kriging模型。对优化模型降维前后的优化过程、最优解及其波形和型线进行对比。结果表明:降维后优化模型收敛更快,最优解兴波阻力系数仅增大0.15%,采用改进Sobol’方法进行降维,能在保证最优解质量的同时,提高优化效率。     

潜水器多学科设计中的多目标协同优化方法

针对潜水器设计中涉及多个学科的耦合以及数据信息量大、数据关系复杂的问题,文章介绍了一种新的多目标协同优化算法.该方法将Pareto遗传算法(PGA)引入协同优化框架,二者的有机结合充分发挥各自的优势,该方法利用协同方法的分解协调机制将复杂系统的设计问题分解为一个系统级优化问题和几个学科级优化问题.采用PGA作为系统级优化器,不仅可以得到能够反映多目标优化问题实质的、客观的Pareto解集,而且,由于PGA是无需梯度信息的直接搜索算法,从而从根本上消除了协同优化由系统层一致性约束条件引起的收敛困难问题.在PGA与协同优化框架结合的过程中,采用目标函数的归一化处理、分级罚函数法、浮点数编码、群体分级和Paveto解集过滤器等技术提高算法的计算效率和可靠性,并通过一个数学算例和一个载人潜水器的例子证明了多目标协同优化算法的有效性.