基于偽并行改進(jìn)遺傳算法的線列陣隔振系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

江國和,薛 峰

(1.上海海事大學(xué)商船學(xué)院,上海 200135;2.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

拖曳線列陣聲吶具有遠(yuǎn)離拖船、噪聲低、可變深、可充分利用水文條件以及孔徑不受限制等優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)代反潛、海洋水文和資源勘探測量中,得到了越來越廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。拖曳線列陣隔振系統(tǒng)是1個復(fù)雜的非線性系統(tǒng),影響其隔振性能的參數(shù)有很多。所以需要合理選擇隔振系統(tǒng)參數(shù),必須進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。對于隔振系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計,由于模型復(fù)雜,影響參數(shù)太多,所以存在很大的難度。本文以大型有限元軟件Ansys為工作平臺,利用其參數(shù)化設(shè)計語言(APDL)實(shí)現(xiàn)了偽并行改進(jìn)遺傳算法對隔振系統(tǒng)的材料參數(shù)(充油密度、護(hù)套彈性模量、隔振組件彈性模量)的優(yōu)化設(shè)計。

1 隔振系統(tǒng)模型和參數(shù)分析文件的建立

1.1 24m拖曳線列陣隔振系統(tǒng)二維流固耦合模型的建立

文獻(xiàn)[1]對水池中隔振系統(tǒng)在不同工況下的隔振量進(jìn)行了實(shí)際測量,并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[2-3]分別建立了隔振系統(tǒng)流固耦合的二維和三維模型,對其隔振性能進(jìn)行了分析。

圖1所示為劃分網(wǎng)格后的24 m線列陣隔振系統(tǒng)二維流固耦合模型局部圖,是包含2層流固耦合的模型,第1層是隔振系統(tǒng)護(hù)套內(nèi)部充油和護(hù)套、隔振組件之間的耦合;第2層是隔振系統(tǒng)外部的水和整個隔振系統(tǒng)模型之間的耦合。二維流固耦合模型建立了隔振系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)沿軸向的剖面的平面模型,單元數(shù)為22850個,節(jié)點(diǎn)數(shù)為25470個。

圖1 24m隔振系統(tǒng)二維流固耦合模型局部圖Fig.1 24m two-dimensional fluid-structure coupling field model of VIS

選取激振力的幅值為25 N,拉力為1470 N。圖2給出了24 m線列陣隔振系統(tǒng)二維流固耦合模型所受拉力為1470 N時,通過模型計算出的隔振量[4]與實(shí)驗(yàn)值的比較圖。

圖2 24m隔振系統(tǒng)二維流固耦合模型1470 N拉力時計算隔振量與實(shí)驗(yàn)值的比較Fig.2 Compare experimental data with calculated of 24 m VIS in 1470N pulling force

由圖2可以看出,隔振效果的變化規(guī)律和水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本上是符合的,即在5～20 Hz的頻率范圍內(nèi)隔振效果較差;在20～63 Hz的頻率范圍內(nèi),隔振效果隨激勵頻率的增大而增大。雖然定量上的數(shù)值還是有些出入,但是可以看出計算結(jié)果已經(jīng)比較接近實(shí)驗(yàn)值。通過模型計算與水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較,可見,隔振系統(tǒng)二維流固耦合模型能較好地反映隔振系統(tǒng)的隔振性能。

1.2 24m拖曳線列陣隔振系統(tǒng)二維流固耦合模型參數(shù)分析文件的建立

24m隔振系統(tǒng)二維流固耦合參數(shù)化模型如圖3所示。在參數(shù)化模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)行1次完整計算和后處理過程,并讀取其命令流文件,進(jìn)行修改,就得到了隔振系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)的命令流分析文件。這個分析文件的建立也是隔振系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)。

圖3 24m隔振系統(tǒng)二維流固耦合參數(shù)化模型Fig.3 24m two-dimensional fluid-structure coupling parametric model of VIS

2 偽并行改進(jìn)遺傳算法在隔振系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 偽并行改進(jìn)遺傳算法

基本遺傳算法在實(shí)際應(yīng)用中存在以下幾方面的缺陷:1)對搜索空間變化的適應(yīng)能力差。2)容易出現(xiàn)早熟收斂現(xiàn)象。3)算法在進(jìn)化過程中由于采用隨機(jī)搜索的方法從而導(dǎo)致了收斂速度的下降。針對基本遺傳算法存在的缺陷,文獻(xiàn)[5]對遺傳算法提出了若干改進(jìn);文獻(xiàn)[6]提出1種自適應(yīng)偽并行改進(jìn)遺傳算法,并利用評價遺傳算法性能的2個典型測試函數(shù):Ackley函數(shù)和De Jong函數(shù)F2,進(jìn)行偽并行改進(jìn)遺傳算法(PPIGA)和基本遺傳算法(SGA)性能的比較研究;文獻(xiàn)[7]利用偽并行改進(jìn)遺傳算法解決了沖擊隔離系統(tǒng)限位器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計問題。

偽并行遺傳算法的信息交換是在每代進(jìn)化完成時,對每個子群體中的最佳個體按照一定的概率進(jìn)行交換。由于這些子群體并未在不同的處理機(jī)上獨(dú)立進(jìn)行,仍是在單臺微機(jī)上串行執(zhí)行的故稱其為偽并行遺傳算法。

偽并行改進(jìn)遺傳算法利用分班選擇策略,采用自適應(yīng)個體交叉、變異概率結(jié)合并行計算思想,開發(fā)出來的偽并行改進(jìn)遺傳算法不但有效地維持了群體的多樣性,明顯地克服了早熟的現(xiàn)象,而且以較快的收斂速度得到較好的最優(yōu)解。設(shè)計與個體適應(yīng)度相關(guān)聯(lián)的交叉、變異概率。采用式(1)和式(2)的交叉、變異概率能有效地保護(hù)當(dāng)前種群中優(yōu)良個體,同時也能產(chǎn)生出良好的新個體。

式中:f(i)為第i個個體的適應(yīng)度;pc為交叉操作的概率;pm為變異操作的概率;p(i)為第i個個體被選中進(jìn)行交叉或變異操作的概率。

2.2 拖曳線列陣隔振系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化的隔振系統(tǒng)采用圖3所示的模型,為24 m隔振系統(tǒng)二維流固耦合模型。優(yōu)化環(huán)境選取隔振系統(tǒng)所受拉力為1470 N,激勵力的幅值為25 N。

優(yōu)化變量及其上下限分別是:充油密度600～900 kg/m3;護(hù)套材料的彈性模量1.0×106～1.0×109N/m2;隔振組件材料的彈性模量1.0×106～1.0×109N/m2。

優(yōu)化目標(biāo)是要求隔振系統(tǒng)在工作頻率20 Hz,32 Hz,40 Hz,48 Hz處的隔振量LdB的值最大。其數(shù)學(xué)模型描述如下:

利用偽并行改進(jìn)遺傳算法優(yōu)化的具體過程如下:

1)解碼過程

2)適應(yīng)度計算

由于遺傳算法中的適應(yīng)度為非負(fù)數(shù),因此對于要求最大值的問題作如下變化:

其中,Cmin為1個較小的常數(shù),在此程序中設(shè)為0。

2.3 優(yōu)化結(jié)果分析

利用偽并行改進(jìn)遺傳算法對隔振系統(tǒng)中充油密度、護(hù)套材料彈性模量、隔振組件材料彈性模量進(jìn)行優(yōu)化,其中遺傳算法運(yùn)行參數(shù)可選取個體長度length:10;子種群大小 popsize:50;最大運(yùn)行代數(shù)maxgeneration:15;子群體數(shù)groups:3;交叉概率Pc:0.8;變異概率 Pm:0.05。

1)以20 Hz時的隔振量為優(yōu)化目標(biāo)的隔振系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果如圖4～圖7所示。其中圖4～圖6表示了24 m隔振系統(tǒng)中內(nèi)部充油密度、護(hù)套彈性模量、隔振組件彈性模量的尋優(yōu)過程。圖7表示目標(biāo)函數(shù)即20 Hz時隔振系統(tǒng)隔振量的進(jìn)化過程。當(dāng)進(jìn)化到9代時,目標(biāo)函數(shù)基本上到達(dá)了最大值。

從計算結(jié)果可以看出,偽并行改進(jìn)遺傳算法在第9代基本搜索到滿足要求的較好變量。由此可以得出對于此隔振系統(tǒng)在滿足20 Hz時隔振量最大時最優(yōu)解為:內(nèi)部充油密度的取值為854 kg/m3,護(hù)套彈性模量的取值為4.41×108N/m2,隔振組件的彈性模量的取值為9.79×106N/m2,此時隔振量為24.016 dB。

從圖7可以看出,在解的進(jìn)化過程中,由于群體中適應(yīng)度較低的一些個體逐漸被淘汰掉,而適應(yīng)度較高的個體逐漸向最優(yōu)解靠近,因此群體中最佳個體所對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)逐漸上升,在15代內(nèi)得到全局最優(yōu)解24.016 dB。

2)以32 Hz時的隔振量為優(yōu)化目標(biāo)的隔振系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果如圖8～圖12所示。

3)以40Hz時的隔振量為優(yōu)化目標(biāo)的隔振系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果如圖12～圖15所示。

4)以48 Hz時的隔振量為優(yōu)化目標(biāo)的隔振系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果如圖16～圖19所示。

各個頻率下目標(biāo)函數(shù)參數(shù)優(yōu)化過程的結(jié)果見表1,從20 Hz,32 Hz,40 Hz和48 Hz頻率處的尋優(yōu)曲線圖可以看出,偽并行改進(jìn)遺傳算法以較快的收斂速度得到較好的最優(yōu)解,在15代內(nèi)基本搜索到滿足要求的較好變量,使得隔振量達(dá)到最大。隨著代數(shù)的增加參數(shù)值不再變化,約束條件均能得到滿足,因此可以確定此時的優(yōu)化結(jié)果為優(yōu)化參數(shù)的最佳值。

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3 結(jié) 語

本文建立了24 m拖曳線列陣隔振系統(tǒng)的二維流固耦合模型,進(jìn)行了隔振量計算分析,利用水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果對模型進(jìn)行了驗(yàn)證;基于參數(shù)化設(shè)計語言(APDL),建立了24 m線列陣隔振系統(tǒng)簡化的平面模型參數(shù)化分析文件。

通過Ansys的2次開發(fā)編寫了偽并行改進(jìn)遺傳算法程序,實(shí)現(xiàn)了24 m線列陣隔振系統(tǒng)中內(nèi)部充油密度、護(hù)套彈性模量、隔振組件彈性模量的研究和優(yōu)化設(shè)計,并得出了一些相關(guān)的優(yōu)化結(jié)果。通過計算結(jié)果表明,通過優(yōu)化求得的隔振系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)能滿足約束條件并實(shí)現(xiàn)隔振量最大化,這對線列陣隔振系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計具有重要的實(shí)際意義。

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