摘要：随着科学技术的发展，多学科优化方法诞生，并且可以有效地改善传统设计方法对船舶设计造成的不良影响，立足于整体促进船舶结构设计的优化。文章根据船舶结构设计中多学科优化方法的特点，重点分析了多学科优化方法在船舶结构设计中的相关应用及其相关算法。
关键词：多学科优化方法；船舶结构设计；数学模型
前言：多学科设计优化（multidisciplinary design optimization）是一种基于并行理念形成的现代化设计方法，可以通过复杂系统的分解、协调，实现船舶结构设计的优化，减少设计时间，降低相关开发成本，提高产品的经济效益和市场竞争力。
一、关于船舶结构设计中多学科优化方法的主要特点
（一）广泛性
在船舶结构设计中多学科优化方法的参数具有一定的广泛性。其一，相关设计参数的类型既可能是连续的，又可能是离散的、非数值的，对多学科优化设计的参数数据处理造成困难。其二，设计参数的物理属性可能是机械、电磁等多种，涉及到各个学科，这些参数需要运用不同的算法。
（二）复杂性
多学科优化设计的具体算法需要包括产品设计、分析、评估等多方面，要求符合实际，具体可操作性、简洁性与全面性，因此较为复杂。同时，因为船舶结构设计中涉及各个子系统之间的耦合性，使用不同算法容易加剧数据传输的复杂性，不利于计算的准确性。
（三）多样性
多学科优化方法的分解可分为学科和系统结构的分解。其中系统结构又可以分为层次和非层次分解，进而出现树状结构系统。同时由于船舶系统结构本身具有复杂性，进一步造成了树状结构系统的多样性。例如，船舶结构设计中包括结构系统、动力系统等多种，这些系统之间又包括多个学科，彼此之间互相作用。
二、多学科优化方法在船舶结构设计中的相关应用
多学科优化方法主要是通过系统内部协同机制的相互作用，实现复杂系统的分解协调和子系统的耦合效应。该优化设计方法的最终目的是最大效用的发挥子系统之间相互作用所产生的协同作用，实现船舶系统全面的优化。
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（一）多学科优化方法的应用范围
多学科优化方法在船舶结构设计中的应用可以促进其综合性能达到最优。船舶系统的综合性能具体为船舶使用周期内该系统顺利完成相关要求的综合能力。船舶系统涵盖多个方面，包括不同学科。例如，船舶结构设计中有船舶拓扑问题、作战装备的性价比问题、外型设计与力学相关问题、整体与局部强度问题、船舶抗冲击与爆炸设计问题、相关设备可靠运行问题、操纵与控制问题、船舶振动与隐身问题。船舶结构设计中的各个子系统都需要多学科优化设计方法来进行有效的协调。
（二）多学科优化方法的优化步骤
通常情况下，多学科优化设计方法进行船舶结构设计优化的大致步骤为：多学科设计优化将结构力学、强度、爆炸问题，震振动与噪声，流体力学与阻力学，船舶隐身与雷达反射，这四方面进行不同学科的优化协调，形成船舶结构设计方案。然后根据船舶结构设计方案中的不足进一步设计优化。例如，船舶的结构设计对振动、噪声及隐身问题造成影响。外形结构对船舶的速度、稳定性和机动性能产生影响。船舶的外型尺寸对雷达问题和隐身问题有所影响。船船舶的振动和噪声与船舶的快速性有关，船舶的快速性又与船桨的推动力有关。船舶的实际运行、生存能力直接与船舶的强度以及抗冲击能力相关。这些具体的参数之间还会存在相互矛盾的可能性，例如船舶的水下速度与水下噪声之间矛盾，船舶速度越快产生的噪声可能越大，反之速度慢则产生的噪声相对较小。因此这些问题的解决都需要多学科设计优化方法进行不同学科之间的协调，实现设计方案的最优化[1]。
（三）多学科设计优化平台的优化流程
我们以Hyper Study平台为例，使用多学科设计优化平台进行船舶多学科优化设计的具体流程首先需要将相关参数类型进行定义并于不同学科模型下得到计算结果。例如，在计算船舶力学性能时需要用到有限元模型及相关算法，声学需要在声学模型中计算，船舶阻力需要在相应的流体模型中计算。其次，需要多学科优化设计平台将相关计算结果分别作为约束函数及目标函数进行优化研究。最后，还需要相关优化引擎对数据不断进行循环优化，调整参数。多学科设计优化方法可以将外部求解器进行有效合并，进而实现结构力学、声学、流体力学等不同方面的线性或是非线性学科问题的分析计算，为实际船舶结构设计优化提供帮助。
三、关于多学科优化设计算法
随着多学科优化设计方法在船舶结构设计中的广泛应用，逐渐衍生出多种适用于不同情况中的具体算法。例如，现阶段有多学科可行方向法（MDF）、单学科可行方向法（IDF）以及同时分析设计法（AAO）等多种。在实际优化计算过程中，存在相关工作人员不了解其具体优缺点，进而使用错误的情况。因此针对这几种基本多学科优化设计算法浅要分析其优缺点[2]。
MDF算法对于子系统之间的耦合效应处理较好，但是随着问题扩大和计算要求的提高，在优化效率上有所欠缺，因此适用于参数和分析计算量较少的情况。IDF算法不需要进行子系统之间的耦合效应分析计算，当耦合参数过多时，会对优化效率产生不利影响，因此适用于耦合参数较少的情况。AAO算法可以实现多学科的相对独立计算和分析，有效减少了计算量，但是也增加了相应的辅助参数，容易造成优化问题复杂化，因此适用于分析计算较大的多学科设计优化问题。不同的多学科优化设计算法的使用范围不同，因此需要进行科学的选择，才能更大的发挥多学科优化设计方法的作用。
结束语：船舶结构设计涉及学科广泛、系统复杂，而多学科优化方法的有效应用实现了船舶复杂系统中各个子系统的相互作用、协调处理。本文具体论述了多学科优化算法在船舶结构设计中的应用，并对几种基本多学科优化算法进行分析比较，希望有助于多学科优化方法进一步促进船舶系统性能的优化。
参考文献：
[1]高兆进.船舶结构优化设计方法及应用实践微探[J].科技创新与应用,2018(05):103-104.
[2]张超群,阎岩,金允龙,等.多学科优化方法在船舶结构设计中的应用[J].上海船舶运输科学研究所学报,2016,39(03):18-23.
论文作者:乐挺,王辉,董俊超
论文发表刊物:《防护工程》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/11
标签：船舶论文; 多学科论文; 结构设计论文; 方法论文; 算法论文; 系统论文; 优化设计论文; 《防护工程》2018年第36期论文;