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《哈尔滨工程大学》 2017年
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基于生命力的大型舰船总布置优化设计研究

廖全蜜  
【摘要】:对于庞大而复杂的大型水面作战舰船,其肩负着重大的作战使命,同时也面临着严酷的作战环境。美国对航母这类大型舰船所规定的六大核心能力中,生命力位列第五位,成为重点考量的性能,因此设计人员需要根据舰船的使命任务与作战环境,在初步设计阶段进行总布置设计时结合生命力的概念进行考量,形成以保障生命力为前提的总布置初步设计方案。本文定位于基于生命力的大型舰船总布置设计,以增强生命力为核心依托,进行舰船分舱优化以保障舰体生命力,进行动力舱位置研究以保障技术装备生命力,进行舰船通道评估体系构建及舰员流程优化研究以保障舰上人员生命力,主要考虑总布置中与上述三种生命力相关的优化设计评估工作,对舰船分舱、动力舱及通道的布置进行详细的研究。为解决舰船分舱问题中,舰船在作战环境下面临的武器攻击类型与毁伤程度的不确定性对舰体生命力的影响,引入可控鲁棒性优化数学理论,重点探讨该理论工程应用的可行性;由于初步设计过程中需形成一系列方案供设计者参考,因此同时引入可形成均匀Pareto解的DSD(Directec Search Domain)优化算法,形成一套可用于解决舰船初步设计阶段优化问题的不确定性多目标优化方法。由于该理论还未曾进行工程应用,以船舶设计领域经典工程问题为算例,应用可控鲁棒性理论进行优化计算并与己有的鲁棒性研究结果进行对比分析,验证了该方法在船舶设计阶段应用的可行性与有效性。为了根据设计者以及研究对象对鲁棒性的需求,得到不同鲁棒性要求下的分舱优化方案,建立了可控鲁棒性舰船分舱优化设计模型。首先同时考虑舰船的舰体生命力最优与舰体重量最低两个目标,根据舰船作战性能、可维修性等性能将各个舱室对分舱的要求作为约束条件。在上述基础上,增加鲁棒性衡准目标函数,通过分析舰船布局划分对处在作战环境下的舰船生命力的影响,提炼出初步设计阶段分舱优化面临的不确定性因素,并对舰船作战环境下的不确定性因素进行建模,通过优化算法的计算,得到了该优化模型在不同鲁棒性程度下的最优解集。并将该优化解与确定性优化方法所得优化解以及原始解进行对比,结果表明采用可控鲁棒性优化理论所得方案不仅具备较优的性能同时也能有更好的鲁棒性。动力舱内的装备系统是保障舰船战斗力和技术装备生命力的重要方面,为了确保动力舱的功能完整性,建立基于生命力的动力舱多方案多属性优选模型。考虑环境载荷、舰船重量重心控制、推进系统的布置、烟道布置以及动力舱自身安全性等因素,通过引入模糊数学理论进行建模,形成动力舱位置方案评估模型。随后对多专家参与的直觉模糊多属性群决策理论进行改进并加以应用,通过对五种备选方案的优选排序,验证了优选模型与群决策理论的有效性,随后与已有的成熟的群决策方法进行对比分析,验证了新方法的高效性。为提高特殊情况下舰船损管能力,同时保障舰上人员生命力以及人机功效,提出了一种基于通达性与舰体空间资源的通道人机效能评估方法。首先,通过分析影响通道人机效能的主要因素,构建了舰船通道的通达性评估指标体系,提出通达性贡献率的概念;随后根据通道所占据的空间大小,提出空间资源贡献率的概念,将这两者综合得到人机工效贡献率。然后结合TOPSIS法与灰色关联度法的优点,形成了一种基于距离与形状对比的改进TOPSIS的方案评价方法,最后根据四种不同通道设计方案仿真结果,分析了不同人员配置下的通道人机效能。仿真计算结果表明:通道人机效能评估方法可为舰船通道的人机效能研究提供一种可行、有效的新途径,并可直接用于具有特定舰员配置的通道方案优选。为保证紧急情况下舰员疏散的有效性,建立了舰船疏散网络模型。该模型以舰员疏散用时以及水密性最优为目标,将舰员以功能组为单位看做研究对象,将舰船内部通道、舱室等简化为各个节点以及线路组成的网络结构模型,并得到各个功能组在网络结构中的路线集。在路径优化模型中,以集合点容量限制为约束条件,通过通道内舰员的密度以及同向流、逆向流情况来确定当前舰员的流动速度,实时模拟当前网络的流动状况,根据舰员流动路线不断更新当前行进速度。根据上述两个目标函数,得到多组舰员同时疏散时的最优路径,并通过与常规最短路径优化方法结果对比,表明该方法所得路径要优于基于最短路径所得结果,可用于舰员紧急情况疏散以及日常操作流程优化。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:U674.70

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