水下航行器壳体结构多目标优化设计研究

水下航行器控制规律的多目标优化
宋保维;刘旭琳;杜晓旭
【期刊名称】《计算机仿真》
【年(卷),期】2009(026)003
【摘要】水下航行器是一个大规模复杂耦合系统,其航行结果由控制规律来决定.而控制规律往往同时受多种因素的影响.控制规律的优化就是一个多目标最优化问题.寻找一个解,使多个目标同时达到最优或对各性能指标加以综合评价是比较困难的.在水下航行器深度控制中以响应时间、操舵次数、航行深度的误差为优化目标.在纵平面内进行控制规律的多目标优化设计.根据水下航行器的力学特性,建立仿真模型,解算定深弹道,得出实际弹道与理论弹道的偏差信息.基于遗传算法良好的全局搜索特性,应用批处理遗传算法进行优化,最终得到控制规律的最优解.结果证明,优化后的解更有利于指导工程实践.
【总页数】4页(P179-182)
【作者】宋保维;刘旭琳;杜晓旭
【作者单位】西北工业大学航海学院,陕西,西安,710072;西北工业大学航海学院,陕西,西安,710072;西北工业大学航海学院,陕西,西安,710072
【正文语种】中文
【中图分类】TJ63;TH122
【相关文献】
1.圆柱形水下航行器壳体外形多目标优化设计方法研究 [J], 杜向党;石秀华;陆长德
2.水下航行器壳体结构多目标优化设计研究 [J], 董华超;宋保维;王鹏
3.使用混合代理模型的自主式水下航行器藕节壳体多目标优化 [J], 何衍儒;宋保维;曹永辉
4.使用混合代理模型的自主式水下航行器藕节壳体多目标优化 [J], 何衍儒;宋保维;曹永辉;
5.使用混合代理模型的自主式水下航行器藕节壳体多目标优化 [J], 何衍儒;宋保维;曹永辉;
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飞行器设计中的多目标优化在现代航空航天领域，飞行器设计是一项极其复杂且充满挑战的任务。

随着科技的不断进步和应用需求的日益多样化，仅仅追求单一性能指标的优化已经无法满足实际需求。

多目标优化在飞行器设计中的应用变得至关重要，它能够综合考虑多个相互冲突的目标，从而设计出更加高效、可靠和实用的飞行器。

多目标优化在飞行器设计中的意义非凡。

飞行器的性能涉及多个方面，比如飞行速度、航程、燃油效率、载重能力、稳定性、操控性以及制造成本等。

这些目标之间往往存在着相互制约的关系。

例如，为了提高飞行速度，可能需要增加发动机功率，但这又可能导致燃油消耗增加和成本上升；为了增加载重能力，可能需要增大飞行器的结构尺寸，但这又可能影响其空气动力学性能和飞行操控性。

因此，在设计过程中，需要同时权衡这些目标，找到一个最优的平衡点。

在多目标优化中，首先要明确各个目标的具体要求和限制条件。

比如，对于商用客机，重点可能在于提高燃油效率以降低运营成本，同时保证足够的载客量和飞行舒适性；对于军用战斗机，高速、高机动性和隐身性能可能是首要考虑的目标；而对于货运飞机，载重能力和航程则可能是关键因素。

这些不同的目标和限制条件构成了一个复杂的多目标优化问题。

接下来，需要选择合适的优化算法和工具。

常见的多目标优化算法包括遗传算法、粒子群优化算法、模拟退火算法等。

这些算法能够在多个目标之间进行搜索和平衡，找到一组非劣解（Pareto 最优解）。

例如，遗传算法通过模拟生物进化的过程，对设计变量进行编码、交叉和变异操作，从而逐步优化目标函数；粒子群优化算法则通过模拟鸟群的觅食行为，寻找最优解。

同时，还需要借助计算机辅助设计（CAD）和计算流体力学（CFD）等工具，对飞行器的外形和内部结构进行建模和分析，以准确评估不同设计方案的性能。

在实际的飞行器设计中，多目标优化的应用案例众多。

以飞机机翼的设计为例，机翼的形状和尺寸直接影响飞机的升力、阻力和燃油效率等性能。

水下多目标定位关键技术研究水下多目标定位关键技术研究近年来，随着人类对水下资源的探索和开发的不断深入，水下多目标定位技术的重要性日益突出。

水下多目标定位是指在水下环境中，通过各种手段准确定位并跟踪目标物体的技术。

它在水下资源勘察、海洋科研、水下工程等领域具有广泛的应用前景。

水下多目标定位技术主要面临以下挑战。

首先，水下环境复杂多变，由于水的折射、散射和吸收，导致声波、电磁波和光波在水下传播受到很大的限制和干扰。

其次，水下目标物体通常是移动的，其位置和速度变化较大，对定位系统的实时性和准确性提出了更高的要求。

此外，水下目标物体往往是多个，甚至成群结队的，如何实现对多个目标同时定位也是一项技术难题。

为了解决水下多目标定位的困难，研究者们提出了一系列关键技术。

在声波定位方面，通过发送声波信号并接收回波，利用声波传播的速度和回波的时间差计算目标物体的位置。

此外，还可以利用多个水下声源和接收器构建声波传感器网络，从而实现对多个目标的定位。

在电磁波定位方面，可以利用电磁波在水下传播的特性，采用测向技术来确定目标物体的方位。

考虑到电磁波在水下传播受到限制，使用低频电磁波能够取得更好的效果。

而在光波定位方面，可以利用激光或者红外相机进行目标物体的拍摄和测量，根据图像处理算法计算目标物体的位置。

除了传感器选择和信号处理技术，水下多目标定位还需要考虑定位算法的优化与改进。

常见的定位算法包括Kalman滤波算法、粒子滤波算法、最小二乘估计算法等。

这些算法能够通过对传感器输出数据进行迭代优化，提高定位的准确性和鲁棒性。

而在面对多个目标物体的情况下，需要采用适应性目标跟踪算法，实现对多个目标的同时跟踪和定位。

此外，为了提高水下多目标定位的效果，研究者们还通过多传感器融合和数据关联等方法来改善定位结果。

在多传感器融合中，将多个传感器的输出数据进行融合处理，利用互补的信息来提高定位的准确性和可靠性。

而在数据关联中，通过对来自不同传感器的数据进行匹配和比对，将相同目标物体的数据关联在一起，从而实现对目标物体的准确定位。

双壳体混合驱动水下滑翔机结构原理及水动力性能研究刘　健 1, 周广礼 2, 彭嘉澍 1, 朱　猛 1, 李国庆 1, 余祖耀 1*(1. 华中科技大学 船舶与海洋工程学院, 湖北 武汉, 430074; 2. 海军研究院, 北京, 100161)摘 要: 混合驱动水下滑翔机虽兼具典型水下滑翔机及传统航行器的优点, 但存在能耗高、不利回收等缺点,且在快速推进模式下, 滑翔翼的存在不仅会增加航行阻力, 降低航行稳定性, 也不利于滑翔机回收布放。

针对此, 提出一种双壳体混合驱动水下滑翔机, 其滑翔翼与传统固定水平翼不同之处在于滑翔机可根据实际需求进行收放, 以实现对能源的合理分配, 从而提高水下滑翔机的综合航行性能。

此外, 详细介绍了该滑翔机的工作模式、系统组成以及滑翔翼收放原理, 并设计了一种蜗轮蜗杆滑翔翼收放装置, 建立相应的收放机构技术方案, 在此基础上通过数值仿真方法进行了滑翔翼水动力性能分析, 得到了合理的机载配置方案。

关键词: 水下滑翔机; 双壳体; 混合驱动; 滑翔装置; 水动力性能中图分类号: TJ630; U674.941 文献标识码: A 文章编号: 2096-3920(2024)01-0025-07DOI: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0150Research on Structural Principle and Hydrodynamic Performance of Double-Hull Hybrid Powered Underwater GliderLIU Jian1,　ZHOU Guangli2,　PENG Jiashu1,　ZHU Meng1,　LI Guoqing1,　YU Zuyao1*(1. School of Naval Architecture & Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. Naval Research Academy, Beijing 100161, China)Abstract: Although the hybrid powered underwater glider has the advantages of both typical underwater gliders and traditional vehicles, it also has disadvantages such as high energy consumption and inconvenient recovery. In the rapid propulsion mode, the existence of wings not only increases navigation resistance and reduces navigation stability but also is not conducive to the recovery and deployment of gliders. In view of this, a dual-hull hybrid powered underwater glider was proposed. The wings of the glider can be retracted according to the actual needs, which is different from the traditional fixed horizontal wing, so as to realize the reasonable distribution of energy and improve the comprehensive navigation performance of underwater gliders. In addition, the working mode, system composition, and wing retracting principle of the glider were introduced in detail, and a worm gear and worm glide wings retracting device was designed. The corresponding retracting mechanism was established. On this basis, the hydrodynamic performance of the wings was analyzed by numerical simulation method, and a reasonable shipborne configuration scheme was obtained.Keywords: underwater glider; double-hull; hybrid powered; gliding wing; hydrodynamic performance收稿日期: 2023-11-28; 修回日期: 2024-01-04.作者简介: 刘　健(1996-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为仿真计算、结构分析等.* 通信作者简介: 余祖耀(1972-), 男, 副教授, 博士, 主要研究方向为液压控制及结构分析.第 32 卷第 1 期水下无人系统学报Vol.32 N o.1 2024 年 2 月JOURNAL OF UNMANNED UNDERSEA SYSTEMS Feb. 2024[引用格式] 刘健, 周广礼, 彭嘉澍, 等. 双壳体混合驱动水下滑翔机结构原理及水动力性能研究[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 25-31.0　引言水下滑翔机作为一种依靠浮力驱动的新型水下航行器[1]可主动调整自身净浮力与姿态角实现“锯齿形”轨迹运动。

基于响应面方法的AUV水动力外形优化
何隆;张亚;李世中;王芙蓉;袁泽慧;常慧珠
【期刊名称】《兵器装备工程学报》
【年(卷),期】2022(43)12
【摘要】为增强水下滑翔机运动灵活性,提升多工况任务切换能力,提出了基于四螺旋桨驱动与重浮心调整相结合的混合驱动水下航行器的结构方案。

对初始外形的水动力进行数值模拟,得出了阻力系数及升阻比随攻角和速度变化的趋势,并基于响应面方法(RSM)和多目标遗传算法(MOGA)对外形几何参数展开了以提高升阻比和减小质量为目标的优化设计,构建二阶响应面模型分析了目标变量随结构几何参数的变化趋势,通过MOGA算法搜索了全局最优解。

优化后的升阻比由0.678提高到0.788,壳体质量由26.3 kg降低到24.25 kg,增强了外形水动力性能。

该研究方法适用于自主水下航行器(AUV)外形结构的优化,研究结果可为AUV水动力性能的提升提供参考,具有工程指导意义。

【总页数】8页(P43-50)
【作者】何隆;张亚;李世中;王芙蓉;袁泽慧;常慧珠
【作者单位】中北大学机电工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP242.6
【相关文献】
1.基于改进LHS方法的翼型水下滑翔机水动力外形优化
2.基于改进LHS方法的翼型水下滑翔机水动力外形优化
3.基于响应面法的AUV阻力结构优化设计
4.基于序列近似优化方法的水下航行器水动力外形优化设计
5.带桨考古AUV外形设计优化及水动力分析
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飞行器设计中的多目标优化在现代航空航天领域，飞行器设计是一项极其复杂且具有挑战性的任务。

随着技术的不断进步和应用需求的日益多样化，多目标优化在飞行器设计中扮演着越来越重要的角色。

多目标优化，简单来说，就是在设计过程中同时考虑多个相互冲突的目标，并找到一个最优的解决方案。

这些目标可能包括飞行器的性能、经济性、可靠性、安全性等。

在传统的设计方法中，通常会侧重于某一个或几个主要目标，而忽略了其他方面的需求。

然而，这种做法往往会导致设计结果的局限性和不完整性。

以飞行器的性能为例，速度、升力、阻力等都是关键的性能指标。

如果只追求速度的最大化，可能会导致飞行器的升力不足，或者阻力过大，从而影响其飞行的稳定性和经济性。

同样，如果仅仅关注升力，可能会牺牲速度和机动性。

因此，在设计过程中，需要综合考虑这些性能指标，以实现整体性能的最优。

经济性也是飞行器设计中不可忽视的一个目标。

这包括制造和运营成本、燃油消耗等方面。

降低制造和运营成本可以提高飞行器的市场竞争力，但这可能需要在材料选择、结构设计等方面进行权衡。

例如，使用更轻但更昂贵的材料可以减轻飞行器的重量，降低燃油消耗，但会增加制造成本。

可靠性和安全性则是至关重要的目标。

一个可靠且安全的飞行器设计能够保障乘客的生命财产安全，同时也能减少维修和事故带来的损失。

在多目标优化中，需要考虑各种可能的故障模式和风险因素，并采取相应的设计措施来提高可靠性和安全性。

为了实现飞行器设计中的多目标优化，需要采用一系列的方法和技术。

数学建模是其中的基础。

通过建立准确的数学模型，可以将飞行器的各种特性和目标转化为数学表达式，从而便于进行分析和计算。

这些模型通常基于物理学原理、工程经验和实验数据。

优化算法则是实现多目标优化的核心工具。

常见的优化算法包括遗传算法、粒子群优化算法、模拟退火算法等。

这些算法能够在复杂的设计空间中搜索最优解，或者找到一组非劣解（Pareto 最优解）。

例如，遗传算法通过模拟生物进化的过程，对设计变量进行不断的变异、交叉和选择，逐步逼近最优解。

船舶结构优化设计的算法研究船舶作为一种重要的水上交通工具，其结构的安全性、稳定性和经济性一直是船舶设计中的关键问题。

为了满足不断提高的性能要求和降低成本的需求，船舶结构优化设计成为了船舶工程领域的一个重要研究方向。

而算法在船舶结构优化设计中起着至关重要的作用，它能够有效地提高设计效率和质量，为船舶的创新设计提供有力的支持。

在船舶结构优化设计中，算法的选择和应用需要考虑多个因素，如设计变量的类型和数量、约束条件的复杂性、目标函数的特性等。

常见的船舶结构优化算法可以分为传统优化算法和现代智能优化算法两大类。

传统优化算法包括梯度法、牛顿法、共轭梯度法等。

这些算法通常基于目标函数的导数信息来进行搜索，具有收敛速度快、计算效率高的优点。

然而，它们对于复杂的非线性问题和多峰问题往往容易陷入局部最优解，而且对初始点的选择比较敏感。

例如，梯度法通过计算目标函数的梯度来确定搜索方向，沿着梯度的反方向进行迭代搜索。

这种方法在目标函数具有良好的凸性和光滑性时效果较好，但当面对具有多个局部极值点的非凸函数时，很容易陷入局部最优解。

牛顿法则利用目标函数的二阶导数信息来构建搜索方向，具有更快的收敛速度。

但它需要计算海森矩阵，计算复杂度较高，并且对于初始点的要求更为严格。

共轭梯度法结合了梯度法和牛顿法的优点，在一定程度上克服了梯度法收敛速度慢和牛顿法计算复杂的缺点，但仍然存在局部收敛的问题。

相比之下，现代智能优化算法在处理复杂的船舶结构优化问题时表现出了更强的适应性和鲁棒性。

常见的智能优化算法有遗传算法、模拟退火算法、粒子群优化算法等。

遗传算法是一种基于生物进化原理的随机搜索算法，通过模拟自然选择、交叉和变异等操作来实现优化。

它具有全局搜索能力强、对问题的依赖性小等优点。

在船舶结构优化中，可以将船舶的结构参数编码为染色体，通过不断进化种群来寻找最优解。

模拟退火算法则借鉴了固体退火的过程，以一定的概率接受劣解，从而避免陷入局部最优。

基于多目标优化的船舶航行路径规划技术研究随着社会的发展和科技的进步，海洋运输在国家经济活动中显得越来越重要。

而在进行海洋运输过程中，船舶的航行路径规划问题变得越来越复杂。

因此，如何设计一种高效、优化的航行路径规划技术成为了学术研究的重点之一。

多目标优化作为一种常见的优化方法，近年来也被广泛应用于船舶航行路径规划中。

多目标优化的基本思想是在多个目标之间寻求权衡平衡，优化结果往往更全面完善。

本文将对基于多目标优化的船舶航行路径规划技术进行深入研究，并结合实际应用案例分析其优缺点。

一、多目标优化的基本理论1.1 多目标优化的定义多目标优化是在满足多个目标的情况下，选择最优解的一种数学模型。

与单目标优化不同，多目标优化需要在多个目标之间进行权衡平衡，最终找到一种全面、完善的结果。

1.2 多目标优化的应用多目标优化在许多领域都有着广泛的应用，如：金融、交通、医疗、环境等。

其中，在航行路径规划领域中，多目标优化也被广泛应用。

二、船舶航行路径规划技术的研究现状众所周知，在海运业务中，船舶的航行路径规划是十分复杂的。

因此，随着科技的不断进步和大数据技术的兴起，船舶航行路径规划技术也逐渐得到了广泛应用。

当前，船舶航行路径规划技术主要包括以下几个方面：2.1 基于约束优化方法的航行路径规划技术这种方法通过对船舶航速、航向和航迹等约束条件的分析，制订出船舶的最优路径。

但是该方法在解决复杂环境下的航行路径问题时其效率较低。

2.2 基于遗传算法的航行路径规划技术遗传算法通过模拟自然界中的优胜劣汰机制，不断变异和进化，从而获得较优的解。

该技术在求解船舶航行路径规划问题中具有不错的效果。

2.3 基于粒子群算法的航行路径规划技术粒子群算法通过粒子之间的信息交流，不断调整每个粒子的位置和速度，寻找到全局最优解。

该方法具有较高的求解精度和实用价值，是航行路径规划技术中的一种重要方法。

三、基于多目标优化的船舶航行路径规划技术基于多目标优化的船舶航行路径规划技术是当前船舶航行路径规划领域中的研究热点。

通用航空飞行器的参数化建模与多目标设计优化摘要：通用航空飞行器是一种采用通用导航、制导与控制系统以及通用空气动力学头罩的机动再入飞行器，能够装载各种类型的战斗部、传感器或情报、监视和侦察系统，并且能与多种发射系统匹配。

由CAV衍生出的高超声速技术飞行器项目开展了多次飞行试验，具有广阔的发展前景。

早期，波音公司提出的基于双锥构型的先进机动再入飞行器是一种能够直接用于发展CAV项目的飞行演示系统。

基于此，对通用航空飞行器的参数化建模与多目标设计优化进行研究，以供参考。

关键词：通用航空飞行器;参数化建模;构型优化引言多型航空飞行器采用气动舵机驱动舵面完成姿态的调整。

气动舵机的工作方式是在有高压气体的情况下将来自航空飞行器控制系统的控制信号按设计的比例放大成为舵面的舵偏角，根据舵偏角航空飞行器实现在空气作为负载的状态下姿态调整。

使用模拟空气负载的负载模拟器可以模拟航空飞行器在飞行过程中气动舵机所受的力矩负载或力负载，因此带负载模拟器的测试平台是气动舵机设计生产厂家检验、验收气动舵机性能的重要设备。

1基于NSGA－II的多目标优化方法当优化问题出现多个目标时则需要采用多目标优化算法，例如本文中不仅希望CAV构型的升阻比大，还希望其容积率大、最大热流量小。

由于不同目标之间可能相互排斥，即一个目标向好的方向发展时，另外的目标反而变得更坏，此时需要引入非劣解的概念。

非劣解表示不存在所有目标均优于该解的任何其他解。

多目标优化的目的则是在约束范围内收敛到非劣解集。

NSGA－II算法是基于遗传算法发展而来的多目标优化算法，该算法中亲代生成子代的过程仍然按照遗传算法所需的选择、交叉、变异等操作。

在产生子代后要将亲代和子代的结果按照是否为非支配解进行排序，将所有当前的非劣解集筛选出记为Ｒank0，然后将剔除Ｒank0后的剩余结果再次排序，筛选出剩余解中的非劣解集并记为Ｒank1，以此类推。

可见Ｒank值越小表明当前解集中解的质量越高。

鱼雷壳体结构的模糊优化设计
宋保维;李楠
【期刊名称】《火力与指挥控制》
【年(卷),期】2011(036)007
【摘要】鱼雷壳体结构优化设计是鱼雷外形优化设计中的重要组成部分,关系着后期鱼雷总体优化设计的成败.但是,目前的鱼雷壳体优化设计方法仅是将设计变量作为固定变量来处理,没有考虑到设计变量存在的不确定性,另外环境变量也存在着不确定性,这些因素都说明鱼雷壳体优化设计实际上是一个模糊优化问题.如果忽略了鱼雷壳体优化设计的模糊性,会导致优化结果存在较为严重的危险性,同时也会对后期的鱼雷总体设计带来无法预知的影响.针对这一问题,在鱼雷壳体结构优化设计中引入模糊理论,建立鱼雷壳体结构模糊优化模型,并用单目标模糊优化方法进行鱼雷壳体结构模糊优化设计.将鱼雷壳体结构优化设计中存在的风险降到最低.
【总页数】4页(P156-158,162)
【作者】宋保维;李楠
【作者单位】西北工业大学航海学院,西安710072;海军工程大学天津校区,天津300450
【正文语种】中文
【中图分类】U674
【相关文献】
1.水下航行器壳体结构的多目标模糊优化设计 [J], 宋保维;徐德民;张宇文
2.基于可靠性的鱼雷壳体结构模糊优化设计 [J], 宋保维;张宇文
3.楔环连接结构对鱼雷壳体声辐射的影响分析 [J], 马锐磊;尹韶平;曹小娟;严海;秦晓辉
4.基于鱼雷壳体强度及稳定性的结构可靠性分析 [J], 郭君;蒋忠亮;秦晓辉;刘津
5.基于APDL的鱼雷壳体结构参数化建模 [J], 何惠江;李楠
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