重水潜器多学科设计优化理论与方法研究

重水潜器是一种新概念潜水器，它的主要特点是重力远大于浮力，依靠运动过程中自身产生的流体升力来平衡其水中重量。由于不是基于浮力材料或者压载水舱实现水中重浮力平衡，故和常规潜器相比具有体积小，负载多，隐蔽性好的优良特性。本项目拟基于重水潜器原理样机，研究其多学科设计优化理论和方法，实现重水潜器高速、长航程、高机动性的多学科设计优化。.基于重水潜器技术，结合多学科设计优化理论与方法研究是一种典型的多学科设计优化应用基础研究。本项目拟在已有的重水潜器原理样机及传统设计方法研究基础上，采用飞行器设计领域发展起来的解决大型复杂系统优化设计的多学科设计优化理论，结合学科精细化数值分析技术，通过设计结构矩阵建立重水潜器的多学科系统模型，研究重水潜器在高速、长航程以及高机动性下多目标多学科设计优化理论与方法。

重水潜器是多个学科高度综合的系统工程，涉及到水动力学、结构力学、能源与推进、操纵与控制等。这些学科之间相互联系，有的甚至相互矛盾，使得深海空间站的总体概念设计呈现典型的“多学科”特点。本项目以重水潜器为研究对象，从水动力性能预报、耐压结构优化设计、纵横向稳定性、多学科系统建模及多学科优化设计等多方面进行了大量理论研究与实验验证。1）基于CFD数值分析技术和半经验公式开展了重水潜器纵向、横向平面的系列化水动力特性研究，并与风洞试验进行结果对比分析，提出适用于潜水器多学科设计优化的水动力性能预报方法；2）提出了基于CAE数值分析技术和根增量搜索方法相结合的判断方法，在优化过程中自动判断模型的失稳模式，解决了环肋圆柱壳优化结果存在并非全局最优解的问题；此外，提出了基于水平集方法的图像分割技术的拓扑优化方法，实现了水下耐压壳体概念设计阶段拓扑优化；3）通过理论研究和仿真实验，发现纵向运动存在长短周期特性、大阻尼特性、纵倾角反馈特性、弱舵效特性及高机动性等，建立了纵向运动的稳定性衡准；横向运动存在滚转角反馈特性，副翼操作特性,方向舵操作特性，偏航运动过阻尼的特性等；4）基于设计结构矩阵建立了包含外形、升力阻力、能源、结构、重量和操纵与控制六个模块的多学科系统集成模型，发现其多学科设计优化属于弱耦合设计问题；5）通过采用MDF/ATC/BLISCO方法对重水潜器开展多学科设计优化研究，发现MDF和BLISCO的计算精度高；MDF和BLISCO的计算效率高于ATC；MDF在重水潜器的多学科设计优化中表现出了最佳特性。项目研究结果表明，重水潜器通过多学科设计优化之后，综合性能显著提高。所提出的研究方法和结论可为今后新概念潜水器设计提供参考。