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舰船系统抗冲击性能全局优化方法研究

冯麟涵  
【摘要】:水面舰船在服役过程中不可避免会遭受非接触爆炸引起的冲击问题。历次海战及实船爆炸试验均表明,水下爆炸环境中水面舰船的突出薄弱环节是舰船上众多重要装置及设备的抗冲击性能较弱,从而导致舰船系统功能受损,丧失战斗力和生存能力。因此,各国海军都非常重视舰船设备及系统抗冲击性能设计。要在全舰层次上提高舰船抗冲击性能,必须在设计阶段就将系统抗冲击性能作为一项重要设计要素进行考虑,并从全局角度对系统抗冲击性能进行优化设计,以达到与其他设计性能要素均衡。显然,研究舰船系统及设备抗冲击性能设计对于提高舰船生命力和战斗力具有重要工程应用价值。 舰船系统抗冲击性能设计研究主要包括四个部分,即舰船冲击环境分析、舰船设备抗冲击性能、舰船复杂系统抗冲击性能评估以及舰船系统抗冲击性能设计方法。为了对舰船抗冲击性能设计提供更好的理论支持,本文分别针对这四部分内容进行了详细深入的研究,建立一套舰船抗冲击性能分析方法和设计体系,旨在为我国舰船抗冲击性能设计提供参考。 1)为分析冲击环境统计特性,首先基于神经网络建立冲击环境智能预报模型,以数值实验结果作为样本,应用粒子群算法(PSO)对智能预报模型进行训练,形成一套冲击环境高效预报方法。针对若干典型舰船,通过建立舰船服役过程中可能遭受的武器攻击概率模型,结合Monte Carlo法,总结了冲击环境统计特性与设备安装位置之间的相关性,并采用空间聚类算法,对典型水面舰船冲击环境统计特性进行区划分析,并在此基础上分析了冲击环境的概率分布类型。 2)在大量冲击环境数据的基础上,以冲击谱速度为研究对象,将冲击谱速度无量纲化,定义特征量描述其在舰船结构中的衰减规律,归纳、分析了典型水面舰船设计参数、外载荷与冲击环境之间的关系,总结了具有较好预报精度的冲击环境预报公式,建立了舰船冲击环境工程化预报方法。通过形函数插值理论,给出了海上实船爆炸试验工况设置方法和原则,实现利用有限的实验结果,高精度地插值预报其它工况下的冲击环境。 3)本文探讨了舰船设备抗冲击能力的分析方法,给出了基于时域分析的设备抗冲击能力研究方法,并针对某舰船增压锅炉的抗冲击能力进行分析;考虑到影响到设备冲击响应的各种随机因素,建立基于改进神经网络的设备冲击响应预报模型,结合Monte Carlo法,分析了设备抗冲击能力概率分布对增压锅炉刚性安装和弹性安装两种情况下的抗冲击能力值进行研究对比,给出了具有随机性的设备抗冲击能力分析方法。 4)针对舰船复杂系统,分别引入了模糊损伤树方法和改进模糊Petri网方法,建立了相应的抗冲击性能评估模型,以航空保障系统为研究对象,分析了不同工况下其抗冲击性能,并与传统系统抗冲击性能评估方法进行了比较。 5)基于抗冲击投资-性能效益准则,建立了舰船系统全局优化设计方法的舰船系统及设备抗冲击性能的优化设计方法,以舰船系统及设备全寿命周期内的总抗冲击投资最小为目标函数,分析了舰船系统及设备寿命周期内的抗冲击投资评估、损失期望估计等问题,建立了三类全局优化的数学模型:限制系统抗冲击投资额度、给定系统抗冲击性能指标、无投资额度或性能指标要求,分析了三种情况下舰船系统抗冲击投资及性能指标的最优分配方法,并针对不同的舰船系统、设备进行抗冲击性能全局优化设计分析。


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