船舶多学科设计优化的若干基础问题研究

船舶是一个包含多个相互耦合子学科的巨复杂系统，某些子学科的设计目标甚至相互矛盾。常规船舶设计方法是母型船法，且主要依靠设计人员的经验，设计结果可行而非最优，其设计优化也往往针对某学科的单个性能指标进行，没有兼顾各学科之间的协调，无法使设计船舶的综合性能达到最优。多学科设计优化方法是近年来发展起来的用于复杂系统设计的先进方法，其主要思想是在复杂系统设计的过程中通过充分利用各个学科之间的相互作用所产生的协同效应，获得系统的整体最优。该方法是解决船舶设计综合优化的有效手段。本项目将针对多学科设计优化方法在船舶设计中应用的一些基础问题如船舶系统分析及建模理论、船舶多学科设计优化策略及方法、船舶多学科设计优化的近似方法以及船舶参数化建模方法、船舶CAD与CAE集成技术等开展研究，并建立考虑水动力及结构性能的船舶多学科设计优化平台，由此为实现船舶的多学科设计优化提供理论依据和技术方法。

本项目按照计划任务书要求，围绕船舶多学科设计优化的应用基础技术及支撑技术进行了系统研究，取得预期研究成果，全面完成研究任务。.1．在系统分析及建模方面，将遗传算法引入船舶设计结构矩阵的聚类划分中，实现了船舶的智能聚类划分。为确定设计结构矩阵中各元素之间的影响程度，以Sobol方法为基础，采用均匀试验设计点集取代Sobol低偏差序列，提出了主效应灵敏度分析中偏方差的估计方式。.2．在求解策略及算法方面，通过改进物理规划，结合动态偏好区间和转动伪偏好结构技术，提出了新的多目标分级目标传递法，解决了Pareto解个数受限和伪偏好结构搜索位置分布不均的问题，扩展了其搜索范围，提高了Pareto前沿的均匀性，并将其应用于船舶水动力性能与结构性能综合优化中。.3．在近似理论和技术方面，围绕样本点选取的均匀试验设计方法，针对大样本点数均匀设计方案构造中的大计算量问题，提出了基于遗传算法的均匀设计方案构造方法；对于变量较多而样本点数较少的情况，提出了基于切割法的均匀设计方案构造方法。结合留一算法和变异函数，提出了基于相关性原理的动态样本点选取方法，实现了利用性能空间特性指导样本点的选取。.运用上述样本点选取方法，基于径向基神经网络建立了船舶阻力、操纵性、耐波性的近似计算模型。.4．在参数化几何建模技术方面，应用径向基插值函数方法实现了船体曲面局部光顺变形，利用DELAUNAY三角剖分算法实现了支撑半径的自动选择。. 在基于特征的船体曲面参数化建模方面，对传统的能量法进行改进，将数据点处的剪力跃度平方和与应变能以加权和的形式构造全新的光顺性泛函。 .5．在船舶水动力性能分析方面，基于三维势流边界元法自主开发了船舶运动的数值计算程序，并对船舶辐射及绕射问题进行了计算；采用重叠网格技术完成了船桨舵的耦合计算分析；基于灵敏度分析方法研究了船型参数对水动力性能的影响程度，初步实现了船型参数敏感性的定量排序。.构建了一类质量力模型，以描述复杂物体运动对流场干扰的影响；发展了基于径向基函数MC算法的切割网格法；提出了一类基于尖锐界面的非线性两相流模型。.6．在平台开发方面，基于iSIGHT平台，以多目标分级目标传递法为基础，实现了参数化建模、性能分析、近似模型的数据集成和过程集成，开发了船舶多学科设计优化平台，并运用该平台完成了多例船舶性能的综合优化。