序列協(xié)同優(yōu)化方法在深?？臻g站結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用.pdf

1、深海空間站是一種新概念的大型載人深潛裝備，它為人類更好的探測和開發(fā)海洋提供了一個廣闊的平臺。深海空間站的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要由耐壓殼、外部結(jié)構(gòu)和輕外殼等組成，是深?？臻g站最重要的分系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的設(shè)計方法中，耐壓殼、外部結(jié)構(gòu)和輕外殼等子系統(tǒng)是單獨進行設(shè)計的，并且往往側(cè)重于耐壓殼的性能分析和評估，忽視了外部結(jié)構(gòu)和輕外殼的設(shè)計。而后兩者對于深海空間站的總體性能同樣具有重要的影響。耐壓殼、外部結(jié)構(gòu)和輕外殼的設(shè)計又是相互依賴和相互影響的。因此，對于深?？?/p>

2、間的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，必須將其作為一個整體來進行設(shè)計。但這也帶來了一個涉及結(jié)構(gòu)力學(xué)和水動力學(xué)等多個學(xué)科內(nèi)容的復(fù)雜工程系統(tǒng)的設(shè)計問題。從航空航天領(lǐng)域發(fā)展起來的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化為解決這一難題提供了一條有效的途徑。
　　 本文作為國防科工委“十一五”重大基礎(chǔ)研究專項的部分研究內(nèi)容，對多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化在深?？臻g站結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用進行了探索，利用本文提出的序列協(xié)同優(yōu)化方法完成了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計，重點對多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法、耐壓殼結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的協(xié)

3、同優(yōu)化進行了研究，主要完成了以下幾個方面的內(nèi)容：
　　 (1)對多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化進行了綜述，詳細介紹了多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化提出的背景、研究概況及研究的主要內(nèi)容，并對多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法進行了重點描述。
　　 (2)詳細介紹了協(xié)同優(yōu)化方法的基本思想、框架結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型和靈敏度分析原理，對其優(yōu)缺點進行了闡述，并分析了其產(chǎn)生計算困難的原因，同時還列舉了幾種常見的改進措施。通過對采用L1范數(shù)形式一致性約束的協(xié)同優(yōu)化方法進行分析和改造，提出

4、了序列協(xié)同優(yōu)化方法(SCO)。其主要思想是，在系統(tǒng)級每一步迭代中對L1范數(shù)形式一致性約束進行改造，通過引入附加約束來去除一致性約束中的絕對值符號，消除了一致性約束的非光滑性，并有效的縮小了子系統(tǒng)優(yōu)化問題的設(shè)計空間，大大降低了陷入局部最優(yōu)解的概率。結(jié)合數(shù)值算例，本文將SCO與標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同優(yōu)化方法進行了比較。
　　 (3)對多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化中的近似技術(shù)進行了研究，分別對試驗設(shè)計方法及響應(yīng)面、徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Kriging等近似方法作了詳細

5、介紹。結(jié)合數(shù)值算例和加筋板屈曲問題，采用三種近似方法建立了相應(yīng)的近似模型，并通過誤差分析，對近似模型的性能進行評估和比較。
　　 (4)對多球交接耐壓殼的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題進行了研究。詳細介紹了多球交接耐壓殼的結(jié)構(gòu)形式和幾何模型，利用非線性有限元方法和Kriging近似模型，并對其進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在對非線性有限元結(jié)果進行觀察和分析的基礎(chǔ)上，提出了多球交接耐壓殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題的簡化計算公式，并針對不同材料進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。此外，本文還對

6、多球交接耐壓殼的結(jié)構(gòu)形式進行了推廣，提出了幾種新型的球殼交接方式。
　　 (5)將深海空間站結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化劃分為耐壓殼、外部結(jié)構(gòu)、輕外殼和性能四個子系統(tǒng)，分別對各子系統(tǒng)進行了詳細的研究，建立了相應(yīng)的子系統(tǒng)分析模型，明確了各子系統(tǒng)的輸入輸出，編制了相應(yīng)的計算機程序。
　　 (6)建立了深?？臻g站結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化框架，對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各組成部分的具體結(jié)構(gòu)形狀進行了介紹，利用序列協(xié)同優(yōu)化方法和Kriging近似模型，對其

7、進行了多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化，得到了優(yōu)化結(jié)果。
　　 本文的主要創(chuàng)新點有：
　　 (1)首次將多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法應(yīng)用于深海空間站結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計過程，建立了各子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并將其嵌入到協(xié)同優(yōu)化的框架中，驗證了多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化對于復(fù)雜深海結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計的適用性。
　　 (2)在對協(xié)同優(yōu)化方法深入研究和分析的基礎(chǔ)上，首次提出了序列協(xié)同優(yōu)化方法。通過對厶范數(shù)形式一致性約束進行改造，有效降低了子系統(tǒng)級優(yōu)化問題的求解難度，消除了

8、一致性約束的非光滑性，在一定程度上提高了協(xié)同優(yōu)化的性能。
　　 (3)通過對多球交接耐壓殼的非線性有限元分析，指出多球交接耐壓殼的兩種典型破壞模式，并分析了造成破壞的原因。在此基礎(chǔ)上，建立了多球交接耐壓殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題的簡化公式。
　　 多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化是一門新興的學(xué)科，而它在復(fù)雜深海結(jié)構(gòu)物（包括深?？臻g站）結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用才剛剛起步，其研究還有待深入，這主要包括：
　　 (1)本文雖然對序列協(xié)同優(yōu)化方法進行了測

9、試，但其理論分析還不夠系統(tǒng)和全面，其收斂性能還有待于進一步的考察和證實。同時，對于L1范數(shù)形式一致性約束的其它方式的改造有可能會產(chǎn)生更好的效果，這也是今后研究工作一個思路。
　　 (2)由于對深?？臻g站總體設(shè)計的信息掌握較少，本文對外部結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)進行了大量的假設(shè)和簡化，僅對吊放工況進行了分析。在將來的研究中，應(yīng)當(dāng)將深海空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計與總體設(shè)計結(jié)合起來，作為一個整體進行詳細的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化。
　　 (3)本文假設(shè)深?？?/p>

10、間站的輕外殼具有水滴型回轉(zhuǎn)體形狀，并采用經(jīng)驗公式估算其水下運動阻力。在將來的研究中，可以采用CFD方法，對深海空間站的外部形狀建立三維模型進行流場模擬。
　　 (4)本文僅對協(xié)同優(yōu)化方法進行了系統(tǒng)研究，但CSSO和BLISS等多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法同樣具有較高的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價值。對于這幾種多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法究竟哪一種更適合復(fù)雜深海結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計，也有待于進一步深入的研究。
　　 (5)多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化的發(fā)展趨勢是分布式