艦船動力裝置多學科集成設計優化方法

曾凡明，劉金林，賴國軍

海軍工程大學 動力工程學院，湖北武漢430033

艦船動力裝置多學科集成設計優化方法

曾凡明，劉金林，賴國軍

海軍工程大學 動力工程學院，湖北武漢430033

［目的］在充分分析艦船動力裝置總體設計研究現狀的基礎上，指出現有動力裝置設計方法中存在缺乏從多學科耦合角度進行仿真和優化，從而制約設計質量提高的問題，有必要開展動力裝置多學科集成優化理論、方法及關鍵技術研究。［方法］建立艦船動力裝置多學科集成優化設計系統框架，并對動力裝置多學科優化技術、現代設計工具技術、協同仿真、支撐環境、設計軟件開發等關鍵技術進行深入研究。［結果］給出了有效的解決方案。［結論］研究成果能為開展艦船主動力裝置多學科集成設計優化提供一定的參考，同時為艦船動力裝置設計水平的提高奠定一定的基礎。

艦船主動力裝置；總體設計；多學科集成設計優化；協同仿真

0 引 言

隨著現代艦船對動力裝置要求的不斷提高，動力裝置的復雜程度也不斷增加，因此對艦船動力裝置設計提出了更高的要求。動力裝置設計是一個涉及面很廣、綜合性極強的研究領域：從系統工程學的角度看，艦船動力裝置由眾多的分系統組成，每個分系統還可以分解成若干個子系統及裝置，子系統甚至還能分解成若干層更細的子系統及元部件；從設計過程看，包括不同的設計階段，各設計階段包含大量的數據、圖紙和文件資料；從涉及的學科領域看，需要機械、力學、材料、結構、控制、振動及噪聲控制、紅外抑制、傳熱學、系統仿真、人機工程學等相關理論的支持［1］。如此復雜的設計過程，需要一種有效的技術手段，能在早期支持對設計的分析驗證，以便在設計階段及時發現各種可能存在的缺陷，從而確保設計質量，提升動力裝置的綜合性能［2］。

1 動力裝置總體設計研究現狀

國外自上世紀70年代初開始將仿真應用到動力裝置設計論證中。如美國海軍研究與發展中心、德國MTU公司、英國YARD公司、法國ALSTOM公司等研究機構通過動力裝置動態匹配特性仿真，分析控制系統的參數設定對系統動態性能的影響；另外雅典國立技術大學的Kyrtatos等［3-4］、英國紐卡斯爾大學的Fowler［5］、意大利羅馬大學的Orecchini等［6］、韓國的Jeon等［7］以及挪威的Hansen等［8］專家在動力系統性能仿真方面做了大量的研究工作。我國從上世紀80年代開始將動力系統仿真應用到設計及模擬訓練中，如上海交通大學、哈爾濱工程大學、海軍工程大學、海軍裝備研究院等科研院所分別在動力系統實時仿真理論及方法、數字仿真、模擬訓練仿真、動態匹配特性仿真等方面取得了豐富的研究成果，并將這些研究成果廣泛應用到了艦船動力裝置設計及模擬訓練中。

進入90年代后，國內外相關研究機構及學者開始將CAE和虛擬樣機等先進技術應用到艦船動力裝置設計中。國外比較典型的有美國MSC公司的NASTRAN，PATRAN，Acumen等模塊為船舶行業提供了完整的CAE解決方案，目前已在亞太地區尤其是日本和韓國得到廣泛的應用［9］。在CAE技術的牽引下，國內輪機工程領域也開始將CAE技術廣泛應用于動力系統中，如上海交通大學、海軍工程大學利用MSC的CAE方案進行動力系統減振降噪技術研究［10-11］，哈爾濱工業大學利用Hypermesh和ABAQUS進行艦用齒輪箱抗沖擊技術研究［12］。

從當前動力系統設計過程中進行的各類仿真及CAE分析研究來看，基本都是針對動力系統的某個部件或者某個分系統，從某個學科的角度進行分析，因此往往需要對其他的部件、系統或者其他學科領域的問題進行簡化處理，這樣容易產生隱性問題，從而對研究結果的置信度產生一定影響。事實上，動力裝置的設計活動或仿真活動均會涉及多個學科領域。以動力裝置的性能仿真為例，傳統的做法主要側重于采用單一的仿真軟件，如應用MATLAB/SIMULINK對控制系統、主機、螺旋槳等建立模型并進行性能仿真，對于船體轉彎、惡劣海況的因素，往往采用簡化的方法來模擬舵角變化和由船體運動帶來的負載變化等情況，從而對模型的精度和仿真結果的置信度產生一定的影響。因此，對于動力裝置的設計和仿真而言，針對某個部件或者某個分系統的單學科領域問題當前已經得到了較好的解決，但是在動力裝置多學科集成優化設計方面，目前還缺少相關研究，已成為制約動力裝置設計水平提高、乃至綜合性能水平提升的瓶頸，是目前動力系統總體優化設計領域亟需解決的問題。

事實上，國外學者自20世紀80年代就開始進行 多學科優化設計（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）的相關研究。美籍波蘭裔科學家Sobieski［13］首先提出了復雜耦合系統全局敏度方程分析方法和并行子空間優化方法，為多學科設計優化的理論研究奠定了基礎。90年代初，Balling和Sobieski提出MDO模型［14］。美國國家航空航天局（NASA）于20世紀90年代末開展了航天飛行器的多學科優化研究，將設計由單領域部件級的仿真拓展到多學科協同的系統級仿真，通過仿真為設計過程提供各種關鍵信息，并由此優化設計［15］；美國福特汽車公司通過機械、控制、液壓的多領域協同仿真，進行汽車姿態控制系統的開發，極大地提高了設計質量并縮短了設計周期［16］；菲亞特研究中心將協同仿真應用于新型擺式列車的半主動側向懸架的開發中，以保證擺式列車高速彎道行進時的側向乘坐舒適性；同菲亞特擺式列車相似，ABB公司利用多領域協同仿真，對電氣機車控制系統進行了優化設計。

與之相比，我國在多學科設計優化的研究、應用方面起步較晚。繼2001年第10屆世界結構與多學科優化會議在大連理工大學舉行后，各科研院所紛紛開展相關研究并在多學科優化設計理論及工程應用方面取得了豐富的成果。清華大學、北京航空航天大學、西北工業大學、國防科技大學、華中科技大學和浙江大學都已陸續開展這方面的研究［17］。其中，清華大學CIMS中心的熊光楞等［18］在多學科優化設計和協同仿真研究領域是國內起步較早且研究成果較多的專家，主要包括多學科優化理論研究、多學科協同仿真理論及應用研究、多學科協同仿真標準技術研究等，另外，清華大學和航天領域的研究機構還聯合開發了多學科協同仿真支撐平臺原型系統COSIM［19-20］。

2 總體框架研究

艦船動力裝置設計的任務是探求在既定的約束條件下使整個動力系統達到預定目標的最佳配置和主要機械設備最佳的總體布置，一般通過方案設計、技術設計和施工設計等階段完成。針對動力系統設計的任務及特點，研究構建如圖1所示的艦船動力裝置多學科集成優化設計系統構架。系統分為5個部分：支撐環境、數據管理平臺、多學科集成優化平臺、仿真環境、協同設計/應用軟件。

1）多學科集成優化設計系統支撐環境。

艦船動力裝置多學科集成優化設計環境為系統運行提供底層支撐硬件及軟件環境，其中硬件環境主要包括支持網絡運行的相關硬件，軟件環境主要包括操作系統、數據庫環境等。

2）數據管理平臺。

數據管理平臺主要實現對3類數據的管理：一是動力裝置設計各個階段的任務書、計算書等具體項目數據；二是工作流程、審批流程等項目過程數據；三是設計標準、設計規范等元數據。在實現對上述數據管理的基礎上，同時為各設計部門之間的數據共享、協同提供支撐。

3）多學科集成優化平臺。

艦船動力裝置設計是典型的復雜系統設計問題，涉及多學科理論與技術，需滿足多項性能指標要求。因此需要以仿真為手段，在研究各學科之間耦合關系的基礎上，對動力裝置總體設計中所涉及到的學科進行分解，建立艦船動力裝置的協同仿真模型，并研究合適的近似算法和優化算法，實現艦船動力裝置多學科集成優化設計。

4）仿真環境。

艦船動力裝置設計包括主推進系統、輔助動力裝置、自動化系統、電站及配電系統、全船管路系統的設計及機艙規劃等多方面的工作。建立艦船動力裝置數字樣機，開展各種功能和行為的仿真研究，對動力裝置性能進行科學評估，為在設計階段發現各種可能存在的隱性問題，提高設計質量提供科學支撐。如開展艦船動力裝置動態特性仿真，可為動力裝置控制系統參數優化提供依據；開展動力裝置虛擬機艙漫游和人體工程學研究，可為動力裝置機艙布置設計及優化提供直觀的判定依據。

5）協同設計/應用軟件。

艦船動力裝置協同設計軟件主要包含2種類型的軟件：一是支持艦船動力裝置分系統設計的軟件，如機艙設計軟件、管路系統設計軟件等；二是支持艦船動力裝置各設計階段的應用軟件，如方案論證軟件、使用管理軟件、虛擬訓練軟件等。

3 關鍵理論及技術

3.1 艦船動力裝置多學科優化技術

艦船動力裝置設計涉及多個學科，且多學科之間相互耦合。在進行艦船動力裝置多學科優化設計的過程中，首先需要對動力裝置涉及的學科進行分解，充分考慮系統設計變量、各學科的設計變量及各學科之間的耦合變量，對動力裝置進行多學科協同建模，在此基礎上對動力裝置進行多學科集成優化設計。如在艦船軸系設計中，振動特性指標的重要性愈顯重要，其中軸系的縱向振動特性對船體艉部振動及低頻輻射噪聲影響較大，在軸系上安裝縱向減振器以優化軸系的縱向振動特性是一種有效的解決方法，而軸系的縱向振動特性又會受到軸承滑油潤滑特性的影響，因此，在軸向減振器優化過程中，涉及到了機械、流體等學科。圖2為本文提出的采用MATLAB和ANSYS建立的軸系縱向減振器多學科優化模型，其中優化算法采用入侵性野草算法（Invasive Weed Optimization，IWO）。

3.2 現代設計工具/平臺

應用現代設計工具建立動力裝置的虛擬樣機以代替物理樣機，將設計的觸角延伸到傳統艦船動力裝置設計過程無法到達的領域，為各個階段提供更為直觀、合理的判據，對動力裝置的性能、行為、功能進行設計優化、性能測試和仿真評估以改進設計質量。圖3所示為以建立的動力裝置虛擬樣機模型為基礎進行的各種分析。

3.3 協同仿真技術

開展艦船動力裝置協同仿真技術研究是艦船動力裝置多學科集成優化設計的基礎。目前能夠成功實現協同仿真的方式主要有以下2種。

1）基于接口技術的建模與仿真。

該技術主要依靠商業軟件來支持多領域協同仿真，如液壓、氣動仿真軟件Easy5提供了與控制系統仿真軟件MATLAB/SIMULINK和MATRIXx的接口，可以實現液壓、氣動與控制的多領域建模與仿真，這種方法要求仿真軟件之間必須相互提供接口、接口缺乏標準性和統一性、一般不直接支持分布式仿真等。

2）采用高層體系結構（High Level Architec?ture，HLA）。

HLA根據已制定的標準（IEEE Standard 1516），利用現有商業軟件提供的接口并與之集成，實現不同領域仿真建模軟件所建立的模型之間的數據交互、仿真過程管理和控制等功能。每個商業軟件只需提供與HLA應用程序框架接口的5個方法（從模型運行空間內取模型輸出變量新值、將模型輸入變量置入模型工作空間內、仿真軟件的啟動和模型的初始化、仿真結束后模型運行空間處理以及商用仿真軟件的關閉、實現仿真步進），即可方便地加入到多領域仿真之中。由于HLA的開放性、標準性、可擴展性和支持分布式仿真，該方法會獲得越來越多的應用，從而較好地實現多領域建模的問題。

要在艦船動力裝置設計過程中應用協同仿真，可以先采用相對簡單的基于接口的協同仿真方法，積累相關經驗。隨著仿真規模的擴大和精度要求的提高，再逐漸擴展仿真領域，并嘗試采用HLA方法，最終建立動力裝置的多領域模型庫，實現完整的協同仿真系統。以主動力裝置性能仿真為例，基于接口的推進系統協同仿真模型原理如圖4所示。該仿真模型與傳統的動力裝置性能仿真模型相比，增加了專門的船體運動仿真模塊，并采用Fluent來對船體運動進行仿真。由于船體運動對螺旋槳工作特性的影響非常明顯，采用此結構的協同仿真模型使得主動力裝置所帶負載的變化具有更高的仿真精度。

3.4 數據管理平臺研制

數據管理平臺主要用于實現動力系統設計過程中空間上異地分布的各部門之間的協同，以及時間上分散的艦船動力裝置生命周期各個階段的并行。

現代Web技術的發展為艦船動力裝置多學科集成優化設計系統數據管理平臺的開發提供了實現的平臺。圖5所示為基于多學科優化設計的動力裝置數字化設計數據管理平臺的層次結構。根據圖5所示的層次結構，以VS.NET 2005為系統平臺，采用SQL 2005數據庫，開發了動力裝置數字化設計系統數據管理平臺。圖6所示為該平臺階段動力裝置方案設計中選型部件的可視化配置管理。

3.5 協同設計軟件開發

協同設計軟件主要用于實現對動力裝置各分系統設計及各設計階段的支持，如軸系設計軟件等動力系統分系統設計軟件，方案論證軟件等動力裝置各設計階段支持軟件。各類設計/應用軟件在開發過程中需遵循統一的數據接口標準及規范，以有效支持各類軟件之間的協同。圖7所示為動力裝置協同設計/應用軟件平臺的系統結構。

4 結 語

1）全面分析了艦船動力裝置研究的現狀。指出在現有動力裝置總體設計中，缺乏從多學科耦合角度開展仿真分析和優化設計的問題。該問題制約了動力裝置設計質量的提高。在此基礎上，分析了多學科優化理論的發展及在各領域的應用現狀，明確了開展動力裝置多學科集成設計優化的必要性。

2）研究構建了動力裝置多學科集成優化設計系統構架，以多學科優化設計理論為核心，充分應用網絡技術、仿真技術、虛擬樣機等技術，實現了多領域、多學科系統之間的協同，可為動力裝置多學科集成優化設計提供指導。

3）針對多學科優化技術、現代設計工具技術、協同仿真技術、數據管理平臺研制、協同設計軟件開發等關鍵技術進行深入研究，提出相應解決方案，為動力裝置多學科集成優化設計提供了理論基礎和方法基礎。

［1］ 陳國均，曾凡明.現代艦船輪機工程［M］.長沙：國防科技大學出版社，2001：1-68.

［2］ 劉金林，曾凡明，孔慶福，等.仿真技術在艦船動力裝置生命周期中的應用研究［J］.艦船科學技術，2009，31（4）：137-141.

LIU J L，ZENG F M，KONG Q F，et al.Study on the application of the simulation technology to the lifecycle of the marine power plant［J］.Ship Science and Tech?nology，2009，31（4）：137-141（in Chinese）.

［3］ KYRTATOS N P，KOUMBARELIS I.A three-zone scavenging model for two-stroke uniflow engines［J］. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，1998，110（3）：531-537.

［4］ KYRTATOS N P，POLITIS G，LAMBROPOULOS V，et al.Optimum performance of large marine engines un?der extreme loading conditions［C］//CIMAC Congress 1988.Copenhagen：CIMAC，1988，6：1539-1553.

［5］ FOWLER A.Hybrid computer simulation and valida?tion of a closed cycle diesel engine［C］//Proceedings of UKSC Conference on Computer Simulation.Bath：Bath University，1984：280-393.

［6］ ORECCHINI F，BOCCI E，DI CARLO A.MCFC and microturbine power plant simulation［J］.Journal of Power Sources，2006，160（2）：835-841.

［7］ JEON S G，SON G.Development of a power plant sim? ulation tool with component expansibility based on ob?ject oriented modeling［C］//Proceedings of the 3rd Asian Simulation Conference，AsiaSim 2004.Berlin Heidelberg：Springer，2005：222-229.

［8］ HANSEN J F，?DNANES A K，FOSSEN T I.Mathe?matical modelling of diesel-electric propulsion systems for marine vessels［J］.Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems，2001，7（3）：323-355.

［9］ GUAN Y H，LIM T C，SHEPARD JR W S.Experi?mental study on active vibration control of a gearbox system［J］.Journal of Sound and Vibration，2005，282（3/4/5）：713-733.

［10］ 朱石堅，徐道臨.艦船機械隔振系統線譜混沌化控制［M］.北京：國防工業出版社，2014.

［11］ 馮國平，諶勇，黃修長，等.艦艇艉部縱向激勵傳遞特性分析［J］.噪聲與振動控制，2009（6）：132-135.

FENG G P，CHEN Y，HUANG X C，et al.Study on transmission paths in submarine stern excited longitu?dinally［J］.Noise and Vibration Control，2009（6）：132-135.

［12］ 周其新，姚熊亮，張阿漫，等.艦用齒輪箱抗沖擊能力時域計算［J］.中國艦船研究，2007，2（3）：44-48，55.

ZHOU Q X，YAO X L，ZHANG A M，et al.An?ti-shock performance analysis of marine gear case by time domain calculation［J］.Chinese Journal of ShipResearch，2007，2（3）：44-48，55（in Chinese）.

［13］ SOBIESZCZANSKI-SOBIESKI J.A linear decompo?sition method for large optimization problems.Blue?print for development［R］.Hampton，VA，United States：NASA Langley Research Center，1982.

［14］ SOBIESZCZANSKI-SOBIESKI J.Sensitivity of com?plex，internally coupled systems［J］.AIAA Journal，1990，28（1）：153-160.

［15］ LYTLE J K.The numerical propulsion system simula?tion：a multidisciplinary design system for aerospace vehicles［C］//Proceedings of the 14th International Symposium on Air Breathing Engines.Florence，Ita?ly：NASA Glenn Research Center，1999.

［16］ SCHMITZ B M.Co-simulation boosts vehicle design efficiency at ford［J］.Computer-Aided Engineering，1999，18（7）：8-9.

［17］ 范欽滿，吳永海，徐誠.復雜產品設計與多學科設計優化綜述［J］.機械設計，2009，26（8）：6-11.

FAN Q M，WU Y H，XU C.Overview on complex product design and multidisciplinary design optimiza?tion［J］.Journal of Machine Design，2009，26（8）：6-11（in Chinese）.

［18］ 熊光楞，郭斌，陳曉波，等.協同仿真與虛擬樣機技術［M］.北京：清華大學出版社，2004：1-60.

［19］ 邸彥強，李伯虎，柴旭東，等.多學科虛擬樣機協同建模與仿真平臺及其關鍵技術研究［J］.計算機集成制造系統，2005，11（7）：901-908.

DI Y Q，LI B H，CHAI X D，et al.Research on col?laborative modeling & simulation platform for multi-disciplinary virtual prototype and its key tech?nology［J］.Computer Integrated Manufacturing Sys?tems，2005，11（7）：901-908（in Chinese）.

［20］ 柴旭東.基于協同仿真與并行工程的復雜產品虛擬樣機技術研究［R］.北京：清華大學，2001.

Multidisciplinary integrated design optimization methodology of marine power plants

ZENG Fanming，LIU Jinlin，LAI Guojun
College of Power Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

In this paper,based on a full analysis of the research status for the overall design of marine power plants,the problem of the improvement of marine power plant design being limited by a lack of research into multidisciplinary coupling simulation and optimization for marine power plant design is pointed out,research into the multidisciplinary integrated design optimization theory and methodology for marine power plants is proposed,and a framework for a multidisciplinary integrated design system for marine power plants is built.Furthermore,multidisciplinary optimization technology,modern design tool technology,collaborative simulation technology,supporting platform technology,collaborative design software development and other key technologies are studied.A solution method is proposed.The research in this paper can provide a reference for the multidisciplinary integrated optimization design of marine power plants,and it may also help to improve the design quality of marine main power plants.

marine main power plant；overall design；multidisciplinary integrated design optimization；collaborative simulation

U664.1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.013

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170313.1601.014.html

曾凡明，劉金林，賴國軍.艦船動力裝置多學科集成設計優化方法［J］.中國艦船研究，2017，12（2）：100-106，115.

ZENG F M，LIU J L，LAI G J.Multidisciplinary integrated design optimization methodology of marine power plants［J］. Chinese Journal of Ship Research，2017，12（2）：100-106，115.

2016-05-05 < class="emphasis_bold"> 網絡出版時間：

時間：2017-3-13 16:01

國家部委基金資助項目；海軍工程大學基礎研究自主立項項目資助（20161519）

曾凡明，男，1962年生，博士，教授。研究方向：艦船動力裝置總體設計，系統分析與仿真技術。E-mail：zeng_fm@sina.com

劉金林（通信作者），男，1981年生，博士，講師。研究方向：艦船動力裝置總體設計，系統分析與仿真技術。E-mail：jinlingo@126.com

期刊網址：www.ship-research.com