1011201048-AUV总体结构设计中的多学科设计优化.doc.docVIP

AUV总体结构设计中的多学科设计优化 牛文栋 天津大学机械学院机械制造及其自动化专业2011级直博生 摘要：本文针对水下自主式航行器（AUV）在总体结构设计中的多学科设计优化问题进行了研究。基于MDO的概念将AUV 的总体结构设计要求分解为4个系统，具体包括：测量和控制系统、通讯系统、主推进系统、整体机械与浮力布局系统。采用多学科协同优化方法对AUV总体结构进行了研究分析。 关键词：水下自主式航行器（AUV） 多学科设计优化 协同优化方法 1 引言* 21世纪是开发海洋的世纪，随着海洋开发事业的迅速发展，水下自主式航行器（AUV）作为有效的海洋测量传感器搭载平台，在海洋开发中得到越来越广泛的应用。目前，其应用领域大致可归结为水下工程、海洋科学考察、打捞救生、海洋军事、渔业、水产养殖等方面。同时采用水下自航行器，可以扩大海洋监测的范围，获取定点、走航、连续、实时、高密度集观测资料，提高获取海洋动力环境数据的质量与数量。因此，该项技术在海洋资源开发、海洋科学调查研究、以及国防建设等方面，具有重要的价值和广泛的应用前景。 AUV是一种技术密度高、涉及学科面广的复杂系统工程，涵盖多个学科内容，不仅包括传统的水动力学、结构力学、推进理论、操纵及控制理论等，也包括现代的人机工程学等，每个学科又包含多个分支，因此AUV的总体结构设计具有明显的多学科特点[1]。 在传统的AUV 总体设计中，采用船舶领域广泛应用的螺旋形方式[2]进行，以达到众多性能的平衡 和优化。近来，美国等发达国家的工程设计界正兴起一个新的研究领域-多学科（Multidisciplinary Design Optimization，简称MDO）设计优化，其主要思想是在复杂系统设计的整个过程中集成各个学科（子系统）的知识，应用有效的设计优化策略和分布式计算机网络系统，来组织和管理设计过程，通过充分利用各个学科（子系统）之间的相互作用所产生的协同效应，获得系统的整体最优解（即产品质量或性能更好），通过实现并行设计来缩短设计周期。 本文采用MDO思想和方法对AUV总体结构设计进行了研究分析。 2 理论分析 AUV总体框架结构 根据AUV的总体框架结构，我们对其进行多学科分析，故将AUV分为4个系统如图1所示，具体包括：测量和控制系统、通讯系统、主推进系统、整体机械与浮力布局系统。这里对各个系统作简要介绍。 图1 AUV总体框架图 （1）测量和控制系统 该系统主要用于AUV进行工作时的水下测量，包括对水下环境的测量、水下地质结构等的测量；并用于水上与水下进行实时监控控制与操作，以便防止AUV出现不可预知的故障，必能及时进行解决。 （2）通讯系统 通讯系统主要进行工作人员与AUV的通信，具体包括收发指令的传输，传感器的开启与关闭等，还包括AUV本身声学设备的通讯。 （3）主推进系统 故名词义，该系统为AUV的推进单元，给AUV提供动力，以便使其进行航行。 （4）整体结构与浮力系统 该系统就是为了使AUV在水中的姿态能够进行保持与修整。 多学科设计优化方法概述 多学科设计优化方法就是进行 MDO 的过程，也叫做 MDO 算法或 MDO 策略[3]，是对系统进行分解、优化、协调，实现多学科并行设计优化，有哪些信誉好的足球投注网站系统最优解的方法、策略与过程。 多学科设计优化方法与一般优化算法的含义不同，优化算法属于优化理论的研究领域，而多学科设计优化方法则是从设计问题本身着手，从设计计算结构、信息组织的角度来研究问题，它是在具体寻优算法的基础上提出一套设计计算框架，该计算框架将设计问题各学科的知识与这些具体的寻优算法结合起来形成一套有效解决复杂对象的优化求解策略。 因此，MDO 方法研究的主要内容包括：如何将复杂系统的设计优化问题分解为以学科为基础的若干子系统的设计优化问题；如何协调分解后各子系统之间的关系；以及如何综合各子系统的分析结果等。MDO 方法的功能在于不断地改进多学科复杂系统的设计方案，直到找到最优设计方案。 多学科设计优化方法研究概述 多学科设计方法也称多学科设计优化策略或优化过程，侧重于研究多学科问题的表述形式、学科之间耦合的处理方法，具体说来就是研究多学科设计问题的分解与协调、设计信息的传递方式、近似简化策略以及优化算法的选择等，其目的是通过对MDO 问题建立合理的优化结构，选择适当的策略来减少优化时的计算和信息交换的负担，从结构上解决多学科设计优化技术所面临的计算复杂性和组织复杂性难题。 目前发展的多学科优化方法主要有以下几种 ： ① 多学科可行方法（Multi-Disciplinary Feasible method，MDF；也称为 All-in-One，AIO）、②同时分析和设计方法（SimultaneousAn