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多学科设计优化在风电运维船的研究与应用

姚壮乐  
【摘要】:现代船舶设计往往是一项涉及多学科、多领域的系统工程,其中涉及到如浮性、阻力、结构、稳性、耐波性等学科,同时各个学科之间相互耦合、相互影响。而传统的船舶设计过程是一种串列进行的设计模式,这一过程往往无法充分考虑不同学科之间的相互联系,降低了最终优化结果的可行性,通常得不到真正的系统整体最优解。因此,本文将多学科设计优化方法引入到船舶设计的过程中,并且以风电运维船的设计优化任务为算例,详细介绍优化过程中涉及的理论方法和相关流程。风电运维船作为一种新型的特种船舶,其实际用途要求该船必须具备良好的阻力性能和耐波性,同时结构上还应当满足规范的要求。根据设计优化的目标,本文将风电运维船优化问题按照协同优化算法的框架分解为阻力、结构和耐波性三个子学科。在子学科的分析过程中,详细介绍了其中所应用的理论方法以及计算软件。在学科的分析过程中,存在着建模复杂、计算耗时的问题,若是直接将其用于风电运维船的优化问题中,必将导致优化设计的周期过长。本文中,将近似模型集成到多学科设计优化框架中,利用拉丁超立方试验设计方法完成样本点的选取,然后采用三种不同的近似模型方法建立近似模型,通过对模型精度的评价,选出最佳的近似模型方法。在完成子学科近似模型的建立之后,根据协调优化算法的框架构建出该优化问题的数学模型。为求解出该数学模型的最优解,需要进行多目标优化问题的求解。本文对其中的一种求解方法——非支配排序遗传算法进行了介绍,并运用该算法求解出该优化问题的Pareto最优解集。在最优解集中选取了三个Pareto解进行比较分析,以其中较为均衡的解作为风电运维船优化问题的最优方案。另外,本文还将最优方案与实际的理论计算结果进行了比较,验证了文中求解方法的有效性。本文利用多学科设计优化方法完成风电运维船概念设计中的优化任务,为多学科设计优化方法在船舶和海洋工程领域的进一步应用积累了经验。


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