多学科优化中的近似模型及其在艇体结构优化中的应用

近似技术是多学科设计优化关键技术之一。系统介绍多学科设计优化中常用的3种近似模型:响应面模型(Response Surface Methodology,RSM)、Kriging模型、径向基函数(Radical Basis Function,RBF)模型。对比分析3类近似模型在典型数学函数不同维度下的拟合性能。结果表明,Kriging模型的综合拟合性能最优,RBF模型次之,RSM拟合性能不佳。在此基础上,通过拉丁超立方试验设计选取样本点,基于Kriging模型构造潜艇平行舯体某舱段耐压壳体结构响应的近似模型,应用粒子群优化算法完成了耐压壳体结构轻量化设计。最优化设计方案质量较初始方案减少了11.99%。     

多学科设计优化算法比较及其在船舶和海洋平台设计上的应用

多学科设计优化(Multidiseiplinary Design Optimization,简称MDO)是一种通过充分探索和利用系统中的相互作用的协同机制来设计复杂系统工程和子系统的方法论.多学科设计优化算法是其核心部分,也是研究最活跃的领域.文中首先介绍了MDO算法的定义、分类和发展,然后从算法的来源和目的、优化过程、优缺点、改进方法和应用情况等五个方面对四种基于分解技术的MDO算法进行了综述,进而对比了这四种算法的异同点.最后,针对船舶和海洋平台设计的具体特点,归纳了适合于船舶或海洋平台多学科设计优化的MDO算法所需要具备的特征,并建议使用基于近似模型的协同优化算法或BUSS 2000算法进行船舶和海洋平台的多学科设计优化.     

基于响应面的可变复杂度方法在桁架式Spar平台方案设计中的应用

多学科设计优化在实际应用中,几乎都采用了可变复杂度方法(variable-complexity method,VCM)来平衡计算成本和计算精度.然而,VCM通常需要计算大量的初始样本点以保证精度.为降低VCM对初始样本点的依赖,文中提出了一种基于响应面更新的可变复杂度方法.以桁架式Spar平台的多学科设计优化为例,首先根据试验设计选取样本点,采用数值方法计算平台的各项性能,建立了响应面模型;应用协同优化算法求解,并通过响应面的不断更新提高精度,在此基础上应用可变复杂度方法校正响应面分析结果.计算结果表明:基于响应面更新的可变复杂度方法可在较少初始样本点情况下,获得较高精度的计算结果.     

代理模型技术及其在船舶板架强度和稳定性计算中的应用

对比分析了Kriging、径向基函数、多项式响应面三种代理模型在不同样本点比例和不同样本点空间分布下对4类典型数学函数的拟合精度和推广能力。研究结果表明,Kriging模型对典型数学函数具有较好的适用性和推广能力,径向基函数次之,多项式响应面的适应能力不足。在此基础上,基于Kriging方法构造了船舶双层底板架强度和稳定性计算代理模型,讨论了低样本点比例下Kriging模型代替有限元计算分析的适用性以及不同样本点空间分布对代理模型近似误差的影响。计算结果表明,在低样本点比例下一个均匀齐整的样本点空间分布更利于保证代理模型的精度。在所选取的样本点比例下Kriging模型对船舶板架强度和稳定性计算的适用性较好,近似误差满足工程精度要求。     

基于近似模型的载重46 000 t油船阻力性能优化

以低速肥大型船的线型优化为研究对象,针对部分关键问题进行深入研究。将近似模型方法应用于船型优化工作,以使用有限数量的高精度CFD计算结果建立的近似模型来代替优化过程中复杂耗时的CFD数值计算,利用团队开发的船舶水动力性能多学科综合优化平台完成载重46 000t油船的线型优化,并进行验证。     

基于CFD和响应面方法的最小阻力船型自动优化

计算流体动力学CFD方法凭借其较高的计算精度和获取更多流场信息的能力逐渐成为新船型设计重要手段.文章利用iSight多学科优化平台建立了一套船型优化系统,集成了CFD技术、船型变换及自动生成技术和响应面代理模型技术和组合优化算法.编制了船型参数变换和生成系统实现了船型变换和CFD计算程序Shipflow输入数据的自动连接;通过对主要船型参数的控制,实现整个船型优化流程的自动化.采用了进化遗传算法(GA)与二次序列规划法(SQP)相结合的二阶组合优化方法实现了从全局探索再到局部空间寻优的整个流程.同时,将响应面近似模型(RSM)引入到优化进程中,解决了计算精度与优化效率间的矛盾,使得高精度的CFD分析工具融入到船舶优化设计进程中成为可能.最后利用该系统对一条设计船的阻力性能进行了优化.     

一种有效近似建模方法及船舶耐波性代理模型构建

船舶耐波性能预报计算过程复杂,会受到诸多设计变量的影响;且采用高精度商业软件如CFD预报船舶性能的计算代价非常高。文章采用拉丁超立方方法进行了设计空间抽样。定义了一个新的综合衡准指标来表达船舶耐波性能,即短期和长期作用下船舶非工作时间百分数。考虑了船舶耐波性能中的五个运动方向：横摇、纵摇、转艏、横荡和升沉。为提高船舶耐波性能计算效率,一种有效的近似建模方法—单参数Lagrangian 支持向量回归算法被用于训练并构建代理模型以预报船舶耐波性能,且该算法是由作者在过去的研究工作中首次提出。以海洋平台支援船（OSV）为例,采用SPL-SVR算法预报船舶耐波性能,并与基于NAPA计算仿真结果、人工神经网络和经典支持向量回归算法进行对比。该文考虑OSV的两种速度,建立了海洋平台支援船短期作用下非工作时间百分数的耐波性能响应面模型,结果显示采用SPL-SVR算法建立的船舶耐波性能响应面模型比较适合船型初步设计的工程实际应用,并具有较高的计算效率。     

多种多学科设计优化方法的比较研究

多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization,MDO)是一种通过充分探索和利用系统间的相互作用的协同机制来设计复杂系统工程和子系统的方法论.随着多学科设计优化方法在船舶与海洋工程中的广泛应用,多学科设计优化方法越来越受到重视,目前已经发展出了多种不同的具体算法.该文的主要目的就是对这些现有的算法开展比较研究,为后续的应用选择奠定基础.论文首先介绍了MDO算法的分类和发展,对各种MDO算法的优缺点进行了比较分析,最后再通过具体算例来显示这些方法的差别.     

单人常压潜水装具躯体结构的多目标优化设计

文章采用基于响应面（RSM）近似模型和多目标遗传算法（MOGA）对新型单人常压潜水装具躯体结构进行多目标优化设计。首先建立躯体的结构优化模型,分析设计变量对设计目标的影响。通过试验设计（DOE）得到设计目标的响应特征,拟合建立响应面近似模型,最后采用遗传算法对响应面模型进行多目标优化求解,得到躯体结构的优化设计方案。     

基于BP-SSA算法的夹层板结构抗爆性能优化方法

设计具有优良抗爆性能的夹层板结构对提高船舶生命力具有重要意义。本文提出一种基于神经网络与麻雀搜索算法相结合的优化方法（BP-SSA）,以提高结构的抗爆性能为主要目标,对波形夹层板结构进行优化设计。通过正交试验设计建立样本点矩阵,在此基础上,利用神经网络建立设计变量与结构响应值之间的响应面模型,最后采用麻雀搜索算法对响应面模型进行多目标优化分析,得到波形夹层板结构的抗爆性能优化方案。优化后的结构抗爆性能比原结构提升了31.8%,且神经网络的预测值与有限元仿真结构一致性较好。因此,该方法在提高夹层板结构的抗爆性能的同时还减轻了结构重量,能够为工程设计提供参考。     

Bi-fidelity Kriging model for reliability analysis of the ultimate strength of stiffened panels

A method based on a Bi-fidelity Kriging model is proposed for structural reliability analysis. It is based on adding low-fidelity data samples to the model to predict high-fidelity values, thus saving computational effort. Distance Correlation develops the correlation between the low and high-fidelity functions, initially proposed to assess the correlation between two variables. The bi-fidelity Kriging response surface model's efficiency as a surrogate model will be assessed for structural reliability problems that demand high computational costs, such as nonlinear finite element analysis structural models. The efficiency assessment is performed by comparing the accuracy of the failure probability predictions based on the Subset Simulation and First-order reliability method using the Bi-fidelity Kriging model as a surrogate for the performance function. The idea is illustrated by considering a representative component of marine structures analyzed by finite element analysis to create bi-fidelity scenarios to assess structural reliability with many variables. The results show that the proposed multi-fidelity method can provide an accurate failure probability estimation with less computational cost.     

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。     

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.     

基于阻力和伴流不均匀度的多用途船型线优化

为探究多用途船首尾型线变化对船舶水动力性能的影响,采用RBF(Radial Basis Functions)曲面变形方法分别对多用途船首尾型线进行变换,使用优化拉丁超立方法设计计算样本,引入Kriging近似模型解决传统CFD计算耗时的问题。在此基础上,以船舶的阻力性能以及桨盘面伴流不均匀度作为优化目标,利用带精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)完成整个型线优化流程。计算结果表明,对于该多用途船,船首形状朝V型发展有利于减小兴波阻力,船尾的V型横剖面在接近推进器处逐渐向U型转变,可以在获得更均匀伴流场的同时对阻力性能影响较小。     

基于Kriging模型的船舶典型双层底板架强度和稳定性全局敏度分析

基于Kriging近似技术分别构造具有5根、7根龙骨的双层底板架结构强度和稳定性计算代理模型,利用Sobol＇进行双层底板架结构各设计参数对板架强度和稳定性响应指标的全局敏度分析.分析结果表明：对于强度响应,板架尺度及布置参数、构件尺寸参数均对其存在较大的影响;而对于稳定性响应,板架尺度及布置参数对其敏感程度较高,构件尺寸参数对其影响较为有限.     

CGX巡洋舰多学科设计优化模型的再分析

传统的设计螺旋方法由于割裂了学科间耦合,得到的设计往往是满足设计要求的设计而不是最优的设计.多学科设计优化(MDO)方法正是一种能得到最优设计的新设计方法,MDO目前被广泛应用于复杂工程系统的设计中.文中对多学科设计优化的理论进行了简要综述,在此基础上为了演示MDO方法应用于舰船设计,采用iSIGHT对国外的CGX巡洋舰概念设计的13个模块进行了集成,建立了MDO模型并优化,得到了较好的优化解.在此基础上采用神经网络重新建立了该MDO模型,将优化结果和原MDO模型优化结果进行了比较.     

多学科设计优化技术在舰船设计中的应用

介绍多学科优化设计的主要基本理论、研究和应用状况及发展前景,根据舰船设计特点进行舰船多学科设计优化分析,重点分析舰船结构设计中的多学科设计优化问题,建立优化数学模型是多学科优化设计的重要内容,并对数学模型进行了分析。     

随机导管架平台结构动力可靠性及灵敏度分析

基于Kriging模型和一次二阶矩方法对具有随机参数的导管架平台结构动力可靠度进行了分析.首先根据首次超越破坏准则建立了随机结构动力可靠度的隐式功能函数表达形式.然后通过有限元分析得到用于隐式功能函数近似的Kriging模型,进而求得可靠度指标.最后根据可靠度对随机参数均值和标准差的灵敏度公式,分析了导管架平台可靠度对各随机变量的敏感性,并得出了一些有益于工程设计、参数优化和精度控制的结论.     

运用代理模型方法预测潜艇结构模型的振动声辐射

基于Kriging模型和最优对称拉丁超立方体抽样方法,以简化的水下潜艇结构模型为例建立水下相对复杂结构振动声辐射计算的代理模型,可对水下潜艇结构模型进行共振频率和声功率级的预测。建立的代理模型可以在整个设计变量尺寸范围内对模型的振动声辐射进行实时预测。由计算结果得出,使用基于Kriging方法的代理模型能较准确地完成固有频率和声功率级的预测。所建立的代理模型能快速、准确地预报在整个设计变量尺寸范围内潜艇结构模型的振动声辐射。     

面向海洋平台支持船的阻力组合近似模型构建

为了获得更为精确合理的近似模型,在多项式响应面、RBF径向基函数和Kriging三种单一近似模型的基础上构建组合近似模型以实现响应拟合,并以数值函数为例验证组合近似模型的准确性与适用性。以海洋平台支持船的总阻力为研究对象,采用多种试验分析方法进行取样,根据样本点及阻力响应值完成了组合近似模型的构建,并与模型试验及其单一近似模型进行对比分析。研究结果表明：与单一近似模型相比,组合近似模型所得的阻力响应值更接近模型试验结果,能够有效提高计算精度与设计效率,在海洋平台支持船的初步设计中具有较大的应用价值。