舰船动力装置多学科集成设计优化方法

曾凡明，刘金林，赖国军

海军工程大学 动力工程学院，湖北武汉430033

舰船动力装置多学科集成设计优化方法

曾凡明，刘金林，赖国军

海军工程大学 动力工程学院，湖北武汉430033

［目的］在充分分析舰船动力装置总体设计研究现状的基础上，指出现有动力装置设计方法中存在缺乏从多学科耦合角度进行仿真和优化，从而制约设计质量提高的问题，有必要开展动力装置多学科集成优化理论、方法及关键技术研究。［方法］建立舰船动力装置多学科集成优化设计系统框架，并对动力装置多学科优化技术、现代设计工具技术、协同仿真、支撑环境、设计软件开发等关键技术进行深入研究。［结果］给出了有效的解决方案。［结论］研究成果能为开展舰船主动力装置多学科集成设计优化提供一定的参考，同时为舰船动力装置设计水平的提高奠定一定的基础。

舰船主动力装置；总体设计；多学科集成设计优化；协同仿真

0 引 言

随着现代舰船对动力装置要求的不断提高，动力装置的复杂程度也不断增加，因此对舰船动力装置设计提出了更高的要求。动力装置设计是一个涉及面很广、综合性极强的研究领域：从系统工程学的角度看，舰船动力装置由众多的分系统组成，每个分系统还可以分解成若干个子系统及装置，子系统甚至还能分解成若干层更细的子系统及元部件；从设计过程看，包括不同的设计阶段，各设计阶段包含大量的数据、图纸和文件资料；从涉及的学科领域看，需要机械、力学、材料、结构、控制、振动及噪声控制、红外抑制、传热学、系统仿真、人机工程学等相关理论的支持［1］。如此复杂的设计过程，需要一种有效的技术手段，能在早期支持对设计的分析验证，以便在设计阶段及时发现各种可能存在的缺陷，从而确保设计质量，提升动力装置的综合性能［2］。

1 动力装置总体设计研究现状

国外自上世纪70年代初开始将仿真应用到动力装置设计论证中。如美国海军研究与发展中心、德国MTU公司、英国YARD公司、法国ALSTOM公司等研究机构通过动力装置动态匹配特性仿真，分析控制系统的参数设定对系统动态性能的影响；另外雅典国立技术大学的Kyrtatos等［3-4］、英国纽卡斯尔大学的Fowler［5］、意大利罗马大学的Orecchini等［6］、韩国的Jeon等［7］以及挪威的Hansen等［8］专家在动力系统性能仿真方面做了大量的研究工作。我国从上世纪80年代开始将动力系统仿真应用到设计及模拟训练中，如上海交通大学、哈尔滨工程大学、海军工程大学、海军装备研究院等科研院所分别在动力系统实时仿真理论及方法、数字仿真、模拟训练仿真、动态匹配特性仿真等方面取得了丰富的研究成果，并将这些研究成果广泛应用到了舰船动力装置设计及模拟训练中。

进入90年代后，国内外相关研究机构及学者开始将CAE和虚拟样机等先进技术应用到舰船动力装置设计中。国外比较典型的有美国MSC公司的NASTRAN，PATRAN，Acumen等模块为船舶行业提供了完整的CAE解决方案，目前已在亚太地区尤其是日本和韩国得到广泛的应用［9］。在CAE技术的牵引下，国内轮机工程领域也开始将CAE技术广泛应用于动力系统中，如上海交通大学、海军工程大学利用MSC的CAE方案进行动力系统减振降噪技术研究［10-11］，哈尔滨工业大学利用Hypermesh和ABAQUS进行舰用齿轮箱抗冲击技术研究［12］。

从当前动力系统设计过程中进行的各类仿真及CAE分析研究来看，基本都是针对动力系统的某个部件或者某个分系统，从某个学科的角度进行分析，因此往往需要对其他的部件、系统或者其他学科领域的问题进行简化处理，这样容易产生隐性问题，从而对研究结果的置信度产生一定影响。事实上，动力装置的设计活动或仿真活动均会涉及多个学科领域。以动力装置的性能仿真为例，传统的做法主要侧重于采用单一的仿真软件，如应用MATLAB/SIMULINK对控制系统、主机、螺旋桨等建立模型并进行性能仿真，对于船体转弯、恶劣海况的因素，往往采用简化的方法来模拟舵角变化和由船体运动带来的负载变化等情况，从而对模型的精度和仿真结果的置信度产生一定的影响。因此，对于动力装置的设计和仿真而言，针对某个部件或者某个分系统的单学科领域问题当前已经得到了较好的解决，但是在动力装置多学科集成优化设计方面，目前还缺少相关研究，已成为制约动力装置设计水平提高、乃至综合性能水平提升的瓶颈，是目前动力系统总体优化设计领域亟需解决的问题。

事实上，国外学者自20世纪80年代就开始进行 多学科优化设计（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）的相关研究。美籍波兰裔科学家Sobieski［13］首先提出了复杂耦合系统全局敏度方程分析方法和并行子空间优化方法，为多学科设计优化的理论研究奠定了基础。90年代初，Balling和Sobieski提出MDO模型［14］。美国国家航空航天局（NASA）于20世纪90年代末开展了航天飞行器的多学科优化研究，将设计由单领域部件级的仿真拓展到多学科协同的系统级仿真，通过仿真为设计过程提供各种关键信息，并由此优化设计［15］；美国福特汽车公司通过机械、控制、液压的多领域协同仿真，进行汽车姿态控制系统的开发，极大地提高了设计质量并缩短了设计周期［16］；菲亚特研究中心将协同仿真应用于新型摆式列车的半主动侧向悬架的开发中，以保证摆式列车高速弯道行进时的侧向乘坐舒适性；同菲亚特摆式列车相似，ABB公司利用多领域协同仿真，对电气机车控制系统进行了优化设计。

与之相比，我国在多学科设计优化的研究、应用方面起步较晚。继2001年第10届世界结构与多学科优化会议在大连理工大学举行后，各科研院所纷纷开展相关研究并在多学科优化设计理论及工程应用方面取得了丰富的成果。清华大学、北京航空航天大学、西北工业大学、国防科技大学、华中科技大学和浙江大学都已陆续开展这方面的研究［17］。其中，清华大学CIMS中心的熊光楞等［18］在多学科优化设计和协同仿真研究领域是国内起步较早且研究成果较多的专家，主要包括多学科优化理论研究、多学科协同仿真理论及应用研究、多学科协同仿真标准技术研究等，另外，清华大学和航天领域的研究机构还联合开发了多学科协同仿真支撑平台原型系统COSIM［19-20］。

2 总体框架研究

舰船动力装置设计的任务是探求在既定的约束条件下使整个动力系统达到预定目标的最佳配置和主要机械设备最佳的总体布置，一般通过方案设计、技术设计和施工设计等阶段完成。针对动力系统设计的任务及特点，研究构建如图1所示的舰船动力装置多学科集成优化设计系统构架。系统分为5个部分：支撑环境、数据管理平台、多学科集成优化平台、仿真环境、协同设计/应用软件。

1）多学科集成优化设计系统支撑环境。

舰船动力装置多学科集成优化设计环境为系统运行提供底层支撑硬件及软件环境，其中硬件环境主要包括支持网络运行的相关硬件，软件环境主要包括操作系统、数据库环境等。

2）数据管理平台。

数据管理平台主要实现对3类数据的管理：一是动力装置设计各个阶段的任务书、计算书等具体项目数据；二是工作流程、审批流程等项目过程数据；三是设计标准、设计规范等元数据。在实现对上述数据管理的基础上，同时为各设计部门之间的数据共享、协同提供支撑。

3）多学科集成优化平台。

舰船动力装置设计是典型的复杂系统设计问题，涉及多学科理论与技术，需满足多项性能指标要求。因此需要以仿真为手段，在研究各学科之间耦合关系的基础上，对动力装置总体设计中所涉及到的学科进行分解，建立舰船动力装置的协同仿真模型，并研究合适的近似算法和优化算法，实现舰船动力装置多学科集成优化设计。

4）仿真环境。

舰船动力装置设计包括主推进系统、辅助动力装置、自动化系统、电站及配电系统、全船管路系统的设计及机舱规划等多方面的工作。建立舰船动力装置数字样机，开展各种功能和行为的仿真研究，对动力装置性能进行科学评估，为在设计阶段发现各种可能存在的隐性问题，提高设计质量提供科学支撑。如开展舰船动力装置动态特性仿真，可为动力装置控制系统参数优化提供依据；开展动力装置虚拟机舱漫游和人体工程学研究，可为动力装置机舱布置设计及优化提供直观的判定依据。

5）协同设计/应用软件。

舰船动力装置协同设计软件主要包含2种类型的软件：一是支持舰船动力装置分系统设计的软件，如机舱设计软件、管路系统设计软件等；二是支持舰船动力装置各设计阶段的应用软件，如方案论证软件、使用管理软件、虚拟训练软件等。

3 关键理论及技术

3.1 舰船动力装置多学科优化技术

舰船动力装置设计涉及多个学科，且多学科之间相互耦合。在进行舰船动力装置多学科优化设计的过程中，首先需要对动力装置涉及的学科进行分解，充分考虑系统设计变量、各学科的设计变量及各学科之间的耦合变量，对动力装置进行多学科协同建模，在此基础上对动力装置进行多学科集成优化设计。如在舰船轴系设计中，振动特性指标的重要性愈显重要，其中轴系的纵向振动特性对船体艉部振动及低频辐射噪声影响较大，在轴系上安装纵向减振器以优化轴系的纵向振动特性是一种有效的解决方法，而轴系的纵向振动特性又会受到轴承滑油润滑特性的影响，因此，在轴向减振器优化过程中，涉及到了机械、流体等学科。图2为本文提出的采用MATLAB和ANSYS建立的轴系纵向减振器多学科优化模型，其中优化算法采用入侵性野草算法（Invasive Weed Optimization，IWO）。

3.2 现代设计工具/平台

应用现代设计工具建立动力装置的虚拟样机以代替物理样机，将设计的触角延伸到传统舰船动力装置设计过程无法到达的领域，为各个阶段提供更为直观、合理的判据，对动力装置的性能、行为、功能进行设计优化、性能测试和仿真评估以改进设计质量。图3所示为以建立的动力装置虚拟样机模型为基础进行的各种分析。

3.3 协同仿真技术

开展舰船动力装置协同仿真技术研究是舰船动力装置多学科集成优化设计的基础。目前能够成功实现协同仿真的方式主要有以下2种。

1）基于接口技术的建模与仿真。

该技术主要依靠商业软件来支持多领域协同仿真，如液压、气动仿真软件Easy5提供了与控制系统仿真软件MATLAB/SIMULINK和MATRIXx的接口，可以实现液压、气动与控制的多领域建模与仿真，这种方法要求仿真软件之间必须相互提供接口、接口缺乏标准性和统一性、一般不直接支持分布式仿真等。

2）采用高层体系结构（High Level Architec⁃ture，HLA）。

HLA根据已制定的标准（IEEE Standard 1516），利用现有商业软件提供的接口并与之集成，实现不同领域仿真建模软件所建立的模型之间的数据交互、仿真过程管理和控制等功能。每个商业软件只需提供与HLA应用程序框架接口的5个方法（从模型运行空间内取模型输出变量新值、将模型输入变量置入模型工作空间内、仿真软件的启动和模型的初始化、仿真结束后模型运行空间处理以及商用仿真软件的关闭、实现仿真步进），即可方便地加入到多领域仿真之中。由于HLA的开放性、标准性、可扩展性和支持分布式仿真，该方法会获得越来越多的应用，从而较好地实现多领域建模的问题。

要在舰船动力装置设计过程中应用协同仿真，可以先采用相对简单的基于接口的协同仿真方法，积累相关经验。随着仿真规模的扩大和精度要求的提高，再逐渐扩展仿真领域，并尝试采用HLA方法，最终建立动力装置的多领域模型库，实现完整的协同仿真系统。以主动力装置性能仿真为例，基于接口的推进系统协同仿真模型原理如图4所示。该仿真模型与传统的动力装置性能仿真模型相比，增加了专门的船体运动仿真模块，并采用Fluent来对船体运动进行仿真。由于船体运动对螺旋桨工作特性的影响非常明显，采用此结构的协同仿真模型使得主动力装置所带负载的变化具有更高的仿真精度。

3.4 数据管理平台研制

数据管理平台主要用于实现动力系统设计过程中空间上异地分布的各部门之间的协同，以及时间上分散的舰船动力装置生命周期各个阶段的并行。

现代Web技术的发展为舰船动力装置多学科集成优化设计系统数据管理平台的开发提供了实现的平台。图5所示为基于多学科优化设计的动力装置数字化设计数据管理平台的层次结构。根据图5所示的层次结构，以VS.NET 2005为系统平台，采用SQL 2005数据库，开发了动力装置数字化设计系统数据管理平台。图6所示为该平台阶段动力装置方案设计中选型部件的可视化配置管理。

3.5 协同设计软件开发

协同设计软件主要用于实现对动力装置各分系统设计及各设计阶段的支持，如轴系设计软件等动力系统分系统设计软件，方案论证软件等动力装置各设计阶段支持软件。各类设计/应用软件在开发过程中需遵循统一的数据接口标准及规范，以有效支持各类软件之间的协同。图7所示为动力装置协同设计/应用软件平台的系统结构。

4 结 语

1）全面分析了舰船动力装置研究的现状。指出在现有动力装置总体设计中，缺乏从多学科耦合角度开展仿真分析和优化设计的问题。该问题制约了动力装置设计质量的提高。在此基础上，分析了多学科优化理论的发展及在各领域的应用现状，明确了开展动力装置多学科集成设计优化的必要性。

2）研究构建了动力装置多学科集成优化设计系统构架，以多学科优化设计理论为核心，充分应用网络技术、仿真技术、虚拟样机等技术，实现了多领域、多学科系统之间的协同，可为动力装置多学科集成优化设计提供指导。

3）针对多学科优化技术、现代设计工具技术、协同仿真技术、数据管理平台研制、协同设计软件开发等关键技术进行深入研究，提出相应解决方案，为动力装置多学科集成优化设计提供了理论基础和方法基础。

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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，刘金林，赖国军.舰船动力装置多学科集成设计优化方法［J］.中国舰船研究，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"> 网络出版时间：

时间：2017-3-13 16:01

国家部委基金资助项目；海军工程大学基础研究自主立项项目资助（20161519）

曾凡明，男，1962年生，博士，教授。研究方向：舰船动力装置总体设计，系统分析与仿真技术。E-mail：zeng_fm@sina.com

刘金林（通信作者），男，1981年生，博士，讲师。研究方向：舰船动力装置总体设计，系统分析与仿真技术。E-mail：jinlingo@126.com

期刊网址：www.ship-research.com