基于目标级联法的优化方法及其在载人潜水器中的应用研究

As a complex engineering system, the design of Human Occupied Vehicle (HOV) has a certain specificity in large workload and long cycle, involved with many engineering fields. With further development of the ocean, it brings high demands related to product cycle, cost and performance, etc. One of the solutions to this problem is to bring in an effective design method. That is, multidisciplinary optimization design method combined with the target cascading method and the characteristics of HOV’s system is applied on the general design of HOV. System decomposition focusing on engineering practicability and subject completeness is carried on to identify parameter design and the coupling between systems. In order to improve the design efficiency and accuracy of the model, ROV is designed in form of coupling parametric analysis and modeling approximation. The study of second generation non-dominated sorting genetic algorithm and target cascade is conducted and improved to present the optimization design process of HOV further, and address the optimization and validation based on process in designing.

载人潜水器是一种技术含量高、涉及学科面广的复杂工程系统，其设计具有工作量大、周期长、专业面广等特点。随着海洋开发的深入和步伐的加快，人类对于载人潜水器的研制周期、成本、性能等方面提出了更高的要求，高效设计方法的研究与引入是满足上述要求的重要途径之一。项目拟将多学科优化设计引入到载人潜水器总体设计，结合目标级联法和载人潜水器系统组成特点，开展面向工程实用性、具有学科完备性的系统分解工作，明确设计参数，确定系统间的耦合关系。为提高设计效率、改善学科模型精度，拟将参数化分析与近似模型结合完成结构和艇型的建模。开展第二代非支配排序遗传算法、目标级联法的研究与改进，进一步提出载人潜水器优化设计流程，并进行基于优化设计流程的实艇优化与验证。

载人潜水器是一种技术含量高、系统构成复杂的海洋技术装备，随着海洋开发的发展与深入，载人潜水器发展已呈现出高性能、低造价、轻量化等性能特征，且对其设计周期、设计效率等也提出了更高的要求。传统载人潜水器基于串行设计模式开展，这种模式按照设计阶段和学科的不同开展设计，从而割裂了学科间的联系，对于学科间的耦合处理不够充分，需要大量的设计矛盾协调工作，导致设计的反复和设计时间增加，且难以得到最佳方案。项目首先针对载人潜水器的系统组成特点，开展了具备学科完备性和工程实用性的学科分解工作，按照目标级联法的特点将载人潜水器优化模型分为三层，明确了设计参数和优化模型中的数据传递关系。利用STAR-CCM+软件Java宏录制功能，对Java宏文件进行二次编译，利用Python进行了Abaqus软件的二次开发，实现了结构的建模、属性设置、载荷和边界条件设置、网格划分、分析和后处理的自动化，通过以上工作的完成实现了艇型、结构的参数化建模与分析，基于艇型和结构参数化分析的实现，选取样本点进行了分析，进一步建立了具有较高拟合精度的结构和艇型近似模型，利用公式建立了其他学科的分析模型。针对NSGA-II进行了改进，选择测试函数进行了对比，结果表明改进NSGA-II较NSGA-II的性能有很大提升，开展了CSD改进研究，测试结果表明CSD在性能方面有很大提升，进一步研究了ATC的改进与测试，验证了ATC的性能。基于上述研究成果，建立了基于ATC的载人潜水器优化设计流程，分为推进、结构、能源三个子系统，进行了基于ATC的载人潜水器单目标和多目标优化求解，得到了优化的结果，提升了目标载人潜水器的性能，验证了基于ATC的载人潜水器优化设计流程的有效性。