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无人潜水器主体多学科多目标设计优化
资料介绍
为提高无人潜水器的总体性能和设计效率,本文以一型无人潜水器的主体为研究对象,研究了主体结构的外形阻力、耐压壳体的分析方法,设计了参数化分析流程。针对结构分析和阻力分析软件进行了二次开发,实现了基于参数化的自动计算与分析,在此基础上选取主体结构外形阻力和耐压结构样本点进行了分析,进一步建立了基于近似模型的阻力和结构分析模型及无人潜水器主体多学科多目标优化设计模型。利用第二代非支配排序遗传算法进行了优化求解,选取了部分方案与初始方案进行了对比。结果表明:优化结果明显,为无人潜水器主体设计提供了依据。
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4
期
Vol．40 №．4
Apr．2019
第
卷第
哈
尔
滨
工
程
大
学
学
报
2019
4
月
年
Journal of Harbin Engineering University
无人潜水器主体多学科多目标设计优化
1
2
2
2
2
， ， ， ，
李嘉宁 刘峰 姚竞争 杜世欣 梁旭
( 1．
，
哈尔滨工程大学 经济管理学院 黑龙江 哈尔滨
150001; 2．
， 150001)
哈尔滨工程大学 船舶工程学院 黑龙江 哈尔滨
: ， ，
要 为提高无人潜水器的总体性能和设计效率 本文以一型无人潜水器的主体为研究对象 研究了主体结构的
摘
、 ， 。 ，
外形阻力 耐压壳体的分析方法 设计了参数化分析流程 针对结构分析和阻力分析软件进行了二次开发 实现了
， ，
基于参数化的自动计算与分析 在此基础上选取主体结构外形阻力和耐压结构样本点进行了分析 进一步建立了
。
基于近似模型的阻力和结构分析模型及无人潜水器主体多学科多目标优化设计模型 利用第二代非支配排序遗
， 。 : ，
传算法进行了优化求解 选取了部分方案与初始方案进行了对比 结果表明 优化结果明显 为无人潜水器主体设
。
计提供了依据
:
;
;
;
;
;
;
关键词 无人潜水器 主体 参数化分析 外形阻力 耐压壳体 近似模型 优化求解
DOI: 10. 11990/jheu．201803113
: http: / /www．cnki．net/kcms/detail/23. 1390．u．20181026．1051．004．html
网络出版地址
: U622. 2
: A
: 1006-7043( 2019) 04-0858-07
文章编号
中图分类号
文献标志码
Multidisciplinary and multi-objective design optimization of main
body of unmanned underwater vehicle
1
2
2
2
2
LI Jianing ，LIU Feng ，YAO Jingzheng ，DU Shixin ，LIANG Xu
( 1．College of Economics and Management，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China; 2．College of Shipbuilding Engi-
neering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)
Abstract: To improve the overall performance and design efficiency of an unmanned underwater vehicle，this study
considered one part of the vehicle's main body as the research object in investigating the analysis method of form re-
sistance and pressure hull，and designing the parametric analysis process． Development of structural and resistance
analysis software was conducted． Automatic computation and analysis based on parameterization was performed，and
on this basis，sample points of the shape resistance and pressure-resistant structure were analyzed． Furthermore，a
resistance and structural analysis model was constructed based on an approximate model． A multidisciplinary and
multi-objective optimization model was established to optimize the second-generation non-dominated sorting genetic
algorithm，and some plans were selected for comparison with the initial plan． The optimization results were obvious，
thereby providing the basis for the main body design of the unmanned underwater vehicle．
Keywords: unmanned underwater vehicle; main body; parametric analysis; shape resistance; pressure hull; ap-
proximate model; optimization solution
，
， ，
式进行 缺乏有效的解耦及协调手段 存在计算花费
潜水器是人类从事海洋开发的重要装备之一
， 、
随着海洋开发步伐的加快 提高航速 安全性和设计
、 、 。
大 设计周期长 最优解难以获得等不足 多学科设
［1］
， 。
效率 降低艇体重量等日益受到关注和重视 然而
，
，
计优化在航空领域应用
其在复杂系统的设计过
，
潜水器的设计过程涉及的学科众多 且需要进行大
，
程中集成了各学科知识 充分考虑了学科间的耦合
。
量的协调和反复修改 传统潜水器设计基于串行模
， / ，
关系 以有效的设计 搜索策略为基础 同时针对复
，
杂系统的整个设计过程 基于具有分布式特性的计
， 、 ，
算机网络系统 进行有效的组织 管理 并将学科之
－ －
: 2018 03 30．
－ －
: 2018 10 29．
收稿日期
网络出版日期
: ( 51709063) ;
基金项目 国家自然科学基金项目 中央高校基本业务费资助
，
间的相互作用所产生的协同效应进行有效利用 最
( HEUCFP201603; HEUCFP201735; HEUCFM180106) ．
项目
［2］
。
终目标是获得设计对象的整体最优解
: ， ，
作者简介 李嘉宁 男 博士研究生
;
， ，
刘峰 男 副研究员
;
多学科设计优化适用于复杂系统设计的优化求
， ， ，
姚竞争 男 副教授 博士
．
:
通信作者 姚竞争
，E-mail: yaojingzheng@ hrbeu．educn．
， 。
解 已在众多领域进行了成功应用 在潜水器设计
4
， :
李嘉宁 等 无人潜水器主体多学科多目标设计优化
·859·
第
期
。
领域将其应用多学科设计优化得到很多应用 文献
: G
G
和 为由于平均速度梯度引起的湍流动
w
式中
k
－
［3 5］
应用到
－
; ［6 7］
设计 文献 应用到鱼雷设
; Y
Y
k
w
。
AUV
能
和
为关于
和
的湍流耗散项
+
STAR-CCM
基于 的外形阻力分析
k
w
－
; ［8 11］ ;
计 文献 应用到载人潜水器设计 文献
1. 2
［12］
+
STAR-CCM
，
进行阻力计算 通过设计参数
利用
; ［13］
应用到深海空间站设计 文献 应用到微小型水
， 。
的设置 可实现几何模型的参数化 潜水器外形见
。
下航行器设计等 以上研究对于提高潜水器的总体
1。
图
、 。
性能 促进其技术进步等起到了重要的作用 准确
的学科分析模型是实现潜水器多学科设计优化的关
，
键工作之一 对于其性能的提升起着至关重要的作
。
， ，
然而 以上研究的学科建模大多基于公式 尽管
用
、 ，
这种方法计算花费低 建模难度小 但计算精度低
。
1
图
潜水器外形
， 、
随着技术的发展 近似模型 参数化建模等方法已引
Fig．1 Exterior map of submersible
。 ，
入到学科建模中 然而 近似模型的样本点数量与
1
， x 、
中 主要参数包括总长度 半球形封头半
1
图
，
其拟合精度很难平衡 而直接将参数化分析应用于
x 、
2
x
圆柱壳体长度 和艉部长度
3
x 。
4
径
外形为对称
。
学科建模将导致整个求解过程变得十分复杂 在这
，
模型 以中纵剖面为界计算一半模型在水中运动的
， ，
种情况下 利用近似模型和参数化分析的优点 建立
［15］
。
，
将原点设置于模型的艉部 即艉部断电为
阻力
，
基于参数化分析和近似模型的分析模型 可有效提
， ，
原点 计算区域为长方体 尺度为前后均为
20 m，
。
高潜水器性能与设计效率
、 、
上 下 侧面均为
5 m， ，
各层的网格均为加密网格 模
［5］
，
本研究针对一型潜水器 的主体结构设计 设
，
型设置为水平 采用
SST
，
ρ 湍流模型 强度
i
0. 01，
粘
、
计了基于参数化的无人水下航行器外形阻力 耐压
10。
2。
模型设置如图
度比
， ，
壳体结构分析流程 并建立了近似模型 进一步基于
上述近似模型建立了无人潜水器主体结构优化模
， ，
型 进行了优化的求解 选取了其中的方案进行了对
。
比
1
外形阻力分析模型
1. 1
阻力求解方法
RANS
，
法求解外形阻力 其在时均化的
N-
利用
S
，
方程中 以某种模型的方式将瞬态脉动量体现出
2
图
计算域网格与边界条件设置
，
来 雷诺时均化后的不可压连续性方程和
RANS
Fig．2 Calculation area network grid and boundary condi-
tions
:
方程
珔
( u ) / x
i
=
0
( 1)
i
400 m、
速度
30 m/s
计算模型水深
条件下的航
珔
u ) / t
i
珔
j
珔
u ( u / x )
i
+
=
(
ρ
ρ
j
6 873. 02 N，
则整体阻力为
13 746. 04 N。
行阻力为
珔
u
i
珋
p
［4］
同文献 对比两者相比误差为
5. 2%，
说明计算结
－
+
F
－
( 2)
ρ
u' u '
ρ
j
μ
i
i
(
)
x
x
j
x
i
。
j
果具有一定准确性
: u 、u
i
，m/s; p
式中
为速度分量时均值
为压强时均
j
1. 3
外形阻力参数化分析流程
N
N
－
) P I
N
3
=
+
，Pa; R
(
，kg /m ;
为流体密度
值
λ
Δλ
i
i
0
+
STAR-CCM
Java
，
宏录制的功能 对
利用
软件
NM
M
M
N
N
2
N
珓
，m /s; v
为动力粘性系数
=
{ v ; c } { P ; R }
i
K
i
i
i
+
STAR-CCM
在 软件中
Java
。
宏文件进行二次编译
。
雷诺应力项
，
完成所有设置后开始录制宏文件 记录修改需求参
N
珓
c ，
由于 的存在而导致方程不封闭 需要对其做
i
。 ， 、
数的命令 为便于修改 需要进行外形的参数 计算
。
出某种假定 在此引入湍流模型
SST k-w
。k、
模型
( ) 、 、
的时间步长 隐式定长的除外 内部迭代的次数
［14］
w
:
的输运方程为
。 ，
计算所需时间等的记录 概括而言 主要包括模型
( ku )
ρ
i
( k)
ρ
k
、
尺度和计算时长的修改 计算结果的输出等
。Java
+
=
+
－
Y
G
( 3)
Γ
k
k
k
(
Γ
ω
)
+
t
x
x
x
i
j
j
* ．bat
宏文件准备完毕后通过
批处理文件直接运行
(
ρω
u )
i
(
ρω
)
ω
Java
，
宏文件 系统直接调用
cmd．exe
并运行批处理
+
=
－
+
Y
ω
G
D
ω
ω
(
)
［16］
t
x
x
x
。
i
j
j
文件中的各个命令
参数化的无人潜水器主体
( 4)
3。
结构外形分析流程见图
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