中高速单体船流体动力学性能.doc
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中高速单体船流体动力学性能,摘要船舶是一个由诸多单元集成的庞大系统，它具有环境条件特殊、类型多、系统复杂、技术含量高、投资大，使用周期长等特点，由此导致了船舶设计是一个多参数、多目标、多约束的求解和优化问题。因此，对船舶各项性能进行综合优化是船舶设计工作中的一项重要内容。本文根据船型特点选择45个相关设计变量，并根据舰船通用设计规范等构建了综合优...
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摘 要
船舶是一个由诸多单元集成的庞大系统，它具有环境条件特殊、类型多、系统复杂、技术含量高、投资大，使用周期长等特点，由此导致了船舶设计是一个多参数、多目标、多约束的求解和优化问题。因此，对船舶各项性能进行综合优化是船舶设计工作中的一项重要内容。
本文根据船型特点选择45个相关设计变量，并根据舰船通用设计规范等构建了综合优化的约束条件；综合考虑各性能的目标函数，建立了中高速单体船流体动力学性能和结构特性综合优化的数学模型，前者包括快速性、操纵性、耐波性三方面的性能优化；后者主要考虑其中横剖面的优化。
其次本文综合考虑遗传算法和混沌算法的优缺点，构建了一种基于敏感变量分段区间的、改进的并行遗传混沌算法。将此算法与综合优化数学模型相结合，利用VC++语言，编制了中高速单体船流体动力学性能和结构特性综合优化程序，通过大量的计算表明，该优化程序的运行是准确、高效、可靠的。
本文研究了通用有限元软件MSC.Patran 的二次开发语言——PCL语言。基于PCL语言，本论文编制一套有限元参数化建模、加载、计算的运行程序，基本实现了有限元数据读取、建模计算的程序化。
最后本文以Visual Basic为平台，对中高速单体船流体动力学性能和结构特性综合优化程序与有限元参数化建模程序进行了初步集成，设计了具有良好交互性的图形用户界面，初步建立了一个综合优化与参数化建模校核的通用平台，针对不同权重的目标函数进行了优化计算和对比分析，得出了一些结论，为中高速单体船综合优化系统的建立奠定了良好的基础。
关键词：中高速单体船；综合优化；遗传混沌算法；敏感变量； PCL
Abstract
Ship is a system which constituted many units, has the characteristics of a special operating environment, great number of types, complex systems, high technology content, invests greatly and long life cycle. All these characteristics lead the ship design to multi-parameter, multi-objective and multi-constraint optimization problems. Therefore, the integrated optimization of ship performance is an important element in ship design.
This paper selected 45 variables from the ship parameters, and built the comprehensive optimization constraints. Considering the various performance objective functions, the paper established a comprehensive optimization mathematical model of high-speed ship navigation performance, which contains the rapidity, maneuverability and seakeeping performance optimization, and structural characteristics, which mainly considered the optimization of transverse section.
Considering the advantages and disadvantages of genetic algorithm and chaos algorithm, this paper constructed an improved parallel genetic chaos algorithm based sensitive variables. Then it was combined with comprehensive optimization mathematical model and the paper used VC++ language to develop an integrated optimization program of high-speed ship navigation and structural performance. A large number of calculations show that the operation of the optimization process is accurate, efficient and reliable.
In this paper, the secondary development language of the finite element software MSC.Patran——PCL(Patran Command Language) was used to programme the system of parametric modeling, loading and calculating. And the procedure of the calculation was achieved basically.
Finally, based on Visual Basic platform, conducted a preliminary integration, which combined integrated optimization process of navigation performance and structural properties with the finite element parametric modeling program. The author designed a good interactive user interface and initially established platform for integrated optimization and parameter modeling calibration. After that, the author uses the system to some optimization and analysis for different weights of objective functions. All these had laid a good foundation for the comprehensive optimization of high-speed ship.
Key words: high-speed ship; comprehensive optimization; genetic chaos algorithm; sensitive variable; PCL
目 录
第1章 绪论 1
1.1 课题的目的与意义 1
1.2 国内外研究动态及水平 2
1.2.1 多学科多目标优化发展现状 2
1.2.2 遗传算法的发展现状 4
1.2.3 混沌算法的发展现状 5
1.2.4 有限元法在船舶工程中的应用 6
1.3 本文的主要研究内容 8
第2章 中高速单体船综合优化数学模型 9
2.1 引言 9
2.2 中高速单体船流体动力学性能优化数学模型 9
2.2.1 流体动力学性能优化设计变量 9
2.2.2 流体动力学性能优化目标函数 10
2.2.3 流体动力学性能优化约束条件 13
2.3 中高速单体船结构特性优化数学模型 15
2.3.1 结构特性优化设计变量 15
2.3.2 结构特性优化目标函数 17
2.3.3 结构特性优化约束条件 17
2.4 中高速单体船流体动力学性能和结构特性综合优化数学模型 20
2.4.1 综合优化设计变量 20
2.4.2 综合优化目标函数 21
2.4.3 综合优化约束条件 21
2.5 本章小结 22
第3章 综合优化算法的构造与选择 23
3.1 引言 23
3.2 遗传算法 23
3.2.1 遗传算法基本原理 23
3.2.2 遗传算法计算流程 23
3.3 混沌算法 24
3.3.1 混沌算法的发展 24
3.3.2 混沌的定义及其特征 25
3.3.3 混沌算法计算流程 25
3.4 分层并行遗传混沌算法 26
3.5 不同优化算法的优化计算及结果分析 27
3.5.1 不同优化算法的优化计算 28
3.5.2 优化计算结果分析 32
3.6 本章小结 32
第4章 有限元参数化建模初步研究 33-b..
船舶是一个由诸多单元集成的庞大系统，它具有环境条件特殊、类型多、系统复杂、技术含量高、投资大，使用周期长等特点，由此导致了船舶设计是一个多参数、多目标、多约束的求解和优化问题。因此，对船舶各项性能进行综合优化是船舶设计工作中的一项重要内容。
本文根据船型特点选择45个相关设计变量，并根据舰船通用设计规范等构建了综合优化的约束条件；综合考虑各性能的目标函数，建立了中高速单体船流体动力学性能和结构特性综合优化的数学模型，前者包括快速性、操纵性、耐波性三方面的性能优化；后者主要考虑其中横剖面的优化。
其次本文综合考虑遗传算法和混沌算法的优缺点，构建了一种基于敏感变量分段区间的、改进的并行遗传混沌算法。将此算法与综合优化数学模型相结合，利用VC++语言，编制了中高速单体船流体动力学性能和结构特性综合优化程序，通过大量的计算表明，该优化程序的运行是准确、高效、可靠的。
本文研究了通用有限元软件MSC.Patran 的二次开发语言——PCL语言。基于PCL语言，本论文编制一套有限元参数化建模、加载、计算的运行程序，基本实现了有限元数据读取、建模计算的程序化。
最后本文以Visual Basic为平台，对中高速单体船流体动力学性能和结构特性综合优化程序与有限元参数化建模程序进行了初步集成，设计了具有良好交互性的图形用户界面，初步建立了一个综合优化与参数化建模校核的通用平台，针对不同权重的目标函数进行了优化计算和对比分析，得出了一些结论，为中高速单体船综合优化系统的建立奠定了良好的基础。
关键词：中高速单体船；综合优化；遗传混沌算法；敏感变量； PCL
Abstract
Ship is a system which constituted many units, has the characteristics of a special operating environment, great number of types, complex systems, high technology content, invests greatly and long life cycle. All these characteristics lead the ship design to multi-parameter, multi-objective and multi-constraint optimization problems. Therefore, the integrated optimization of ship performance is an important element in ship design.
This paper selected 45 variables from the ship parameters, and built the comprehensive optimization constraints. Considering the various performance objective functions, the paper established a comprehensive optimization mathematical model of high-speed ship navigation performance, which contains the rapidity, maneuverability and seakeeping performance optimization, and structural characteristics, which mainly considered the optimization of transverse section.
Considering the advantages and disadvantages of genetic algorithm and chaos algorithm, this paper constructed an improved parallel genetic chaos algorithm based sensitive variables. Then it was combined with comprehensive optimization mathematical model and the paper used VC++ language to develop an integrated optimization program of high-speed ship navigation and structural performance. A large number of calculations show that the operation of the optimization process is accurate, efficient and reliable.
In this paper, the secondary development language of the finite element software MSC.Patran——PCL(Patran Command Language) was used to programme the system of parametric modeling, loading and calculating. And the procedure of the calculation was achieved basically.
Finally, based on Visual Basic platform, conducted a preliminary integration, which combined integrated optimization process of navigation performance and structural properties with the finite element parametric modeling program. The author designed a good interactive user interface and initially established platform for integrated optimization and parameter modeling calibration. After that, the author uses the system to some optimization and analysis for different weights of objective functions. All these had laid a good foundation for the comprehensive optimization of high-speed ship.
Key words: high-speed ship; comprehensive optimization; genetic chaos algorithm; sensitive variable; PCL
目 录
第1章 绪论 1
1.1 课题的目的与意义 1
1.2 国内外研究动态及水平 2
1.2.1 多学科多目标优化发展现状 2
1.2.2 遗传算法的发展现状 4
1.2.3 混沌算法的发展现状 5
1.2.4 有限元法在船舶工程中的应用 6
1.3 本文的主要研究内容 8
第2章 中高速单体船综合优化数学模型 9
2.1 引言 9
2.2 中高速单体船流体动力学性能优化数学模型 9
2.2.1 流体动力学性能优化设计变量 9
2.2.2 流体动力学性能优化目标函数 10
2.2.3 流体动力学性能优化约束条件 13
2.3 中高速单体船结构特性优化数学模型 15
2.3.1 结构特性优化设计变量 15
2.3.2 结构特性优化目标函数 17
2.3.3 结构特性优化约束条件 17
2.4 中高速单体船流体动力学性能和结构特性综合优化数学模型 20
2.4.1 综合优化设计变量 20
2.4.2 综合优化目标函数 21
2.4.3 综合优化约束条件 21
2.5 本章小结 22
第3章 综合优化算法的构造与选择 23
3.1 引言 23
3.2 遗传算法 23
3.2.1 遗传算法基本原理 23
3.2.2 遗传算法计算流程 23
3.3 混沌算法 24
3.3.1 混沌算法的发展 24
3.3.2 混沌的定义及其特征 25
3.3.3 混沌算法计算流程 25
3.4 分层并行遗传混沌算法 26
3.5 不同优化算法的优化计算及结果分析 27
3.5.1 不同优化算法的优化计算 28
3.5.2 优化计算结果分析 32
3.6 本章小结 32
第4章 有限元参数化建模初步研究 33-b..
