多學科設(shè)計優(yōu)化在船舶水動力性能優(yōu)化中的應用

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1、多學科設(shè)計優(yōu)化在船舶水動力性能優(yōu)化中的應用11多學科設(shè)計優(yōu)化在船舶水動力性能優(yōu)化中的應用劉小?。?08研究所，上海200011）摘要：闡述了多學科優(yōu)化設(shè)計方法（MultidisciplinaryDesignOptimization，MDO）的發(fā)展應用情況。詳細論述了基于協(xié)同優(yōu)化方法的數(shù)學模型、優(yōu)化原理和優(yōu)化流程。針對水動力性能優(yōu)化，分析了系統(tǒng)層和各學科的優(yōu)化要素，初步建立了數(shù)學模型和優(yōu)化框架。關(guān)鍵詞：船舶水動力性能；多學科設(shè)計優(yōu)化（MDO）；框架中圖分類號：U661.3文獻標識碼：A文章編號：1005-9962(2010)0

2、2-0010-04Abstract:Themultidisciplinarydesignoptimization(MDO)methodisintroducedincludingitsdevelopmenthistoryandapplicationinthepaper.Themathematicalmodel,theoptimizationprincipleandprogrambasedonthecollaborativeoptimization(CO)areshown.Forthehydrodynamicperformanc

3、eoptimizationofships,theoptimizationfactorsofthesystem-levelanddisciplinesareanalyzedindetail,meanwhile,themathematicalmodelandoptimizationframeworkbasedonCOareestablished.Keywords:shiphydrodynamicperformance;MDO;framework多學科設(shè)計優(yōu)化在船舶水動力性能優(yōu)化中的應用110前言船舶的水動力性能優(yōu)化是1個多目標，

4、多變量和多約束條件的復雜問題，傳統(tǒng)的做法是將系統(tǒng)某一關(guān)鍵輸出作為優(yōu)化的目標函數(shù)，而將其它輸出以約束的形式加以考慮，對單一目標函數(shù)求極值得到系統(tǒng)的最優(yōu)解。也有的采用目標權(quán)重法，使多目標優(yōu)化問題轉(zhuǎn)變?yōu)閱文繕藘?yōu)化問題求解。目前，水動力性能優(yōu)化，首先是進行快速性優(yōu)化，然后進行耐波性、操縱性等的校核、驗證。這種設(shè)計模式實質(zhì)上是將船舶的快速性、耐波性、操縱性等子系統(tǒng)的設(shè)計工作完全人為地割裂開來，而沒有充分利用各個學科（子系統(tǒng)）之間的相互影響可能產(chǎn)生的協(xié)同效應來改進船舶水動力性能的設(shè)計，因此極有可能失去系統(tǒng)的整體最優(yōu)解，所以單學科的優(yōu)化[

5、1,2]對整體水動力性能似乎意義不大，甚至可能導致整體性能不佳。并且這種設(shè)計模式屬于串行設(shè)計模式，設(shè)計周期長，開發(fā)成本高。因此，難以滿足實際生產(chǎn)的需要。近幾年國內(nèi)還有不少學者提出了“綜合優(yōu)化”的設(shè)計方法[3,4]，這些方法是直接把多個學科的分析模型、設(shè)計變量和約束條件聯(lián)接在一起，采用單學科優(yōu)化的方法進行計算，因此還不是真正意義上的多學科優(yōu)化設(shè)計。由于受到現(xiàn)實計算能力和優(yōu)化算法作者簡介：劉小健，男，工程師。1979年生，2008年畢業(yè)于上海交通大學船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造專業(yè)，目前從事船舶性能方面的研究工作。效率的制約，這些設(shè)

6、計方法的共同缺陷是所涉及的變量數(shù)目不可能很多，因此當希望充分利用多學科耦合的協(xié)同效應，對較多的學科同時進行優(yōu)化時，這種綜合優(yōu)化的方法就不能適用了。1980年代，美籍波蘭裔數(shù)學家J.Sobieski為多學科優(yōu)化設(shè)計(MDO)理論[5]作出了開創(chuàng)性貢獻，并得到了不斷完善。國際上MDO主要應用在航空航天領(lǐng)域的飛行器設(shè)計方面，國內(nèi)有北航、南航、國防科大、西工大等單位進行過跟蹤性的研究[6-9]，主要也集中在飛行器的設(shè)計方面，在船舶與海洋工程領(lǐng)域的應用研究[10-14]剛剛起步，有必要開展深入地研究，適應協(xié)同優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展趨勢。1協(xié)同

7、優(yōu)化算法1.1MDO的思想與發(fā)展MDO是1種針對復雜工程系統(tǒng)的設(shè)計方法學，它通過充分探索和利用工程系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機制，考慮各學科（子系統(tǒng)）之間的耦合效應，從整個系統(tǒng)的角度設(shè)計復雜的工程系統(tǒng)。MDO的基本思想是在復雜系統(tǒng)的整個設(shè)計過程中利用分布式計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來集成各個學科的知識，分析方法和求解工具，應用有效的優(yōu)化策略來組織管理整個優(yōu)化設(shè)計過程。MDO改變了傳統(tǒng)設(shè)計過程，充分利用各學科之間相互作用所產(chǎn)生的協(xié)同效應，來挖掘設(shè)計的潛力，獲得系統(tǒng)的整體最優(yōu)解。MDO大致經(jīng)歷了3個發(fā)展階段。第1階段的MDO多學科設(shè)計優(yōu)化在船舶水

8、動力性能優(yōu)化中的應用11以學科分析與優(yōu)化的集成為特征，整個優(yōu)化過程中需要進行大量的學科分析和系統(tǒng)分析，典型的方法如傳統(tǒng)的多學科可行方法(MultidisciplinaryFeasibleMethod，MDF)。第2階段MDO以并行學科分析和數(shù)據(jù)管理為主要特征，具有明顯的效率優(yōu)勢和規(guī)模優(yōu)勢，