基于遺傳算法的魚(yú)雷發(fā)射管優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃 科, 高 興, 段 浩, 王 云

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基于遺傳算法的魚(yú)雷發(fā)射管優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃 科, 高 興, 段 浩, 王 云

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第705研究所 昆明分部, 云南 昆明, 650118)

為了優(yōu)化發(fā)射裝置質(zhì)量, 探討大深度魚(yú)雷發(fā)射管的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法, 通過(guò)解析法建立了魚(yú)雷發(fā)射管在滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求的前提下, 質(zhì)量達(dá)到最輕的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型, 并以MATLAB為平臺(tái)采用遺傳算法對(duì)該約束非線性混和離散變量?jī)?yōu)化問(wèn)題進(jìn)行全局尋優(yōu)。計(jì)算結(jié)果表明, 在滿足目前戰(zhàn)技指標(biāo)的前提下, 現(xiàn)有發(fā)射管在質(zhì)量方面還有很大的優(yōu)化余地, 但不能滿足未來(lái)大深度發(fā)射時(shí)的要求。將管體的設(shè)計(jì)工作程序化, 具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值, 對(duì)魚(yú)雷發(fā)射管管體優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定參考意義。

魚(yú)雷; 遺傳算法; 發(fā)射管; 優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

魚(yú)雷發(fā)射管作為水中兵器發(fā)射裝置的承壓結(jié)構(gòu)及發(fā)射通道, 均在水下工作和運(yùn)行, 除了在發(fā)射時(shí)管內(nèi)注有水外, 其他大部分時(shí)間管內(nèi)為空氣, 由此管外海水與管內(nèi)空氣形成壓差, 在深潛時(shí)該壓差可達(dá)幾兆帕, 發(fā)射管管體不僅承受較大的外壓作用, 還要承受發(fā)射過(guò)程巨大的壓力脈動(dòng); 而隨著潛艇下潛深度和魚(yú)雷發(fā)射深度的增大, 必然要求魚(yú)雷發(fā)射裝置的最大潛射深度增加, 可引入新的發(fā)射原理以適應(yīng)深度的變化, 同時(shí)發(fā)射管的結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度和穩(wěn)定性方面都要滿足更高要求。目前魚(yú)雷發(fā)射管由前管、前中管、滑套閥和后管等多個(gè)部分組成, 其中前管和前中管占管體的絕大部分且處于耐壓艙壁外, 長(zhǎng)期浸泡在水中, 工作環(huán)境惡劣, 是管體的主要承壓結(jié)構(gòu), 設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮它們的強(qiáng)度和穩(wěn)定性, 滑套閥和后管則焊接在剛度較大的耐壓艙壁圍欄上, 結(jié)構(gòu)得到加強(qiáng), 且后管處于耐壓艙壁內(nèi), 工作時(shí)僅受內(nèi)壓作用。本文將需承受外壓作用的前管和前中管作為一個(gè)整體, 針對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)工作進(jìn)行研究。對(duì)于外壓圓筒設(shè)計(jì), 雖然靠增大壁厚、增多加強(qiáng)環(huán)個(gè)數(shù)以及增大加強(qiáng)環(huán)截面尺寸從而滿足壓力增大時(shí)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求, 但無(wú)法適應(yīng)輕量化這一趨勢(shì)。現(xiàn)代潛艇要求攜帶的裝備越來(lái)越多, 而潛艇的承載能力有限, 潛艇一艙對(duì)發(fā)射裝置的質(zhì)量要求越來(lái)越嚴(yán)格, 所以在不影響作戰(zhàn)效能的前提下, 降低裝備質(zhì)量顯得尤為重要。

關(guān)于外壓容器的設(shè)計(jì), 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(如GB150)介紹了圖表法[1], 該方法的一個(gè)特點(diǎn)是需要查找相應(yīng)材料的系數(shù)圖, 若設(shè)計(jì)中需要采用某種特定材料但缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí), 就無(wú)法采用該方法, 并且需要反復(fù)多次的計(jì)算, 對(duì)于一般設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)過(guò)于繁瑣; 文獻(xiàn)[2]介紹了解析法, 設(shè)計(jì)時(shí)需要先假設(shè)一組取值, 然后驗(yàn)證該組取值是否滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求, 否則需要調(diào)整所取數(shù)值, 重復(fù)驗(yàn)證計(jì)算, 直到滿足要求為止, 所得結(jié)果也不一定能滿足質(zhì)量最優(yōu)要求; 設(shè)計(jì)中還需注意管體壁厚、加強(qiáng)環(huán)個(gè)數(shù)及截面尺寸的取值都不是連續(xù)的, 需要滿足規(guī)范和工藝的要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程實(shí)際上是在這些離散的取值中選出一個(gè)最優(yōu)組合, 所以魚(yú)雷發(fā)射管輕量化設(shè)計(jì)是一個(gè)混合離散變量?jī)?yōu)化問(wèn)題。

傳統(tǒng)的優(yōu)化方法先將離散變量當(dāng)連續(xù)變量處理, 然后將所得“最優(yōu)解”圓整[3], 這種方法不太適合工程應(yīng)用, 所以需要采用離散變量?jī)?yōu)化方法, 如近些年發(fā)展起來(lái)的遺傳算法和模擬退火算法等, 它們?cè)诖昂徒ㄖY(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面已經(jīng)有了很好的應(yīng)用。

本文在考慮強(qiáng)度和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上, 建立了以管體質(zhì)量最輕為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型, 并以MATLAB為平臺(tái), 采用遺傳算法求解該約束非線性混合離散變量?jī)?yōu)化問(wèn)題, 實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明, 該方法能快速得出滿足要求的管體設(shè)計(jì), 具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析

如圖1所示, 艇中發(fā)射管一端緊固在發(fā)射水艙壁, 另一端緊固在壓載水艙壁, 這兩處的管體可看作是剛性的, 管體失穩(wěn)主要發(fā)生在兩艙壁之間部分。當(dāng)前蓋關(guān)閉且內(nèi)部未注水時(shí), 管體受到海水壓力的作用, 壓力大小隨潛艇下潛深度變化而變化。分析設(shè)計(jì)時(shí), 必須根據(jù)潛艇的極限深度來(lái)確定計(jì)算壓力。

圖1 發(fā)射管水下受壓示意圖

1.1 管體強(qiáng)度

發(fā)射管管體采用高強(qiáng)度材料, 屈服極限達(dá)到500 MPa以上, 所以管體強(qiáng)度相對(duì)于其穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)發(fā)生失效的可能性不大, 但為安全起見(jiàn)仍需對(duì)管體強(qiáng)度進(jìn)行校核, 而且在采用Mises公式計(jì)算管體失穩(wěn)臨界壓力時(shí)需要滿足2個(gè)條件[2]:

對(duì)于圓筒, 條件2)能夠滿足, 所以在采用Mises公式計(jì)算時(shí)只需保證條件1), 而1)又與第1和第3強(qiáng)度理論的要求相符合。因此, 對(duì)于焊接圓筒, 在考慮焊縫對(duì)強(qiáng)度的影響后, 由條件1)可推出筒體的最小厚度為

此外, 在靠近前中管后凸緣處, 因釋放上制止器, 魚(yú)雷檔塊需要開(kāi)有兩個(gè)矩形小孔, 如圖2所示。開(kāi)孔會(huì)對(duì)管體的強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響, 但其上焊接的上制止器箱將開(kāi)孔封閉在內(nèi), 還對(duì)該處進(jìn)行了局部加強(qiáng), 所以文中不考慮開(kāi)孔對(duì)管體強(qiáng)度的影響。

圖2 管體開(kāi)孔示意圖

1.2 失穩(wěn)臨界壓力分析

外壓圓筒失穩(wěn)臨界壓力的計(jì)算公式因筒體計(jì)算長(zhǎng)度不同而有長(zhǎng)圓筒和短圓筒的差別, 兩者間的臨界長(zhǎng)度為

外壓薄壁短圓筒在四周受壓力作用時(shí), 其臨界壓力為

麥克公式

表1 波形數(shù)圓整值

1.3 加強(qiáng)環(huán)剛度分析

加強(qiáng)環(huán)剛度與截面形狀和尺寸有關(guān), 由于水中兵器所接觸的介質(zhì)(海水)有很大的腐蝕性, 所以發(fā)射管上的加強(qiáng)環(huán)不宜采用腹板厚度較小的型鋼, 如工字鋼、槽鋼等; 此外, 對(duì)相同厚度相同截面尺寸的加強(qiáng)環(huán), 扁鋼比T型鋼組合慣性矩更大[4], 故設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)環(huán)采用具有矩形截面的扁鋼。

圖3 加強(qiáng)環(huán)與筒體截面

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 設(shè)計(jì)變量

2.2 目標(biāo)函數(shù)

以質(zhì)量最優(yōu)為目標(biāo), 目標(biāo)函數(shù)為如下形式

該式的物理意義即為筒體的當(dāng)量厚度, 其值越小則耗材越少, 筒體質(zhì)量也越輕。

2.3 約束條件

由結(jié)構(gòu)分析部分可知, 優(yōu)化設(shè)計(jì)需要滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性等性態(tài)約束條件; 此外, 根據(jù)制作工藝和板材選擇等方面的限制, 還需要滿足一些輔助約束條件。

強(qiáng)度條件

短圓筒條件

穩(wěn)定性條件

最小慣性矩條件

輔助約束條件: 規(guī)范規(guī)定對(duì)于不銹鋼制品,容器壁厚需大于2 mm; 板材厚度也應(yīng)符合冶金產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn), 熱軋鋼板厚度尺寸為4~6 mm, 每檔間隔0.5 mm; 6~30 mm, 間隔1.0 mm, 30~60 mm, 間隔2.0 mm; 加強(qiáng)環(huán)個(gè)數(shù)不能過(guò)多, 否則間距過(guò)小不便于布置施工; 加強(qiáng)環(huán)截面尺寸也應(yīng)在扁鋼的規(guī)定范圍內(nèi)。

3 優(yōu)化方法

3.1 算法選擇

該數(shù)學(xué)模型為約束非線性混合離散變量的優(yōu)化問(wèn)題, 文獻(xiàn)[3]在處理相關(guān)問(wèn)題時(shí), 先將離散變量當(dāng)作連續(xù)變量, 然后采用傳統(tǒng)的優(yōu)化方法來(lái)處理該有約束的優(yōu)化問(wèn)題, 再將得到的最優(yōu)解圓整到規(guī)定的離散值上, 該方法雖然能較快的收斂, 但按連續(xù)變量?jī)?yōu)化得到的“最優(yōu)解”圓整到相鄰的離散值時(shí), 會(huì)產(chǎn)生多種組合, 這些組合中有的可能已經(jīng)不在可行域內(nèi), 有的即使在可行域內(nèi)也僅為局部最優(yōu)解, 因此, 本文采用了能直接處理離散變量的遺傳算法。

3.2 算法實(shí)現(xiàn)

遺傳算法的基本思想是根據(jù)問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)構(gòu)造一個(gè)適值函數(shù), 對(duì)一個(gè)由多個(gè)解(每個(gè)解對(duì)應(yīng)一個(gè)染色體)構(gòu)成的種群進(jìn)行評(píng)估、遺傳運(yùn)算、選擇, 經(jīng)多代繁殖, 獲得適應(yīng)值最好的個(gè)體作為問(wèn)題的最優(yōu)解[5]。

式中,(k)為懲罰因子, 是一個(gè)大于零的遞增數(shù)列。

在懲罰項(xiàng)中

此方法的優(yōu)點(diǎn)是能提前計(jì)算好選擇概率, 節(jié)省算法執(zhí)行時(shí)間, 并且選擇壓力可控。得到選擇概率后, 采用旋輪法來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇操作。

此外遺傳算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中還要考慮的因素有種群大小, 遺傳代數(shù), 交叉率及變異率, 其數(shù)值的選取會(huì)對(duì)收斂速度和結(jié)果產(chǎn)生影響。作者根據(jù)前面所述方法運(yùn)用MATLAB軟件編寫(xiě)了相應(yīng)的計(jì)算程序, 可根據(jù)設(shè)計(jì)要求改變程序中計(jì)算壓力, 管體長(zhǎng)度和內(nèi)徑以及材料的屈服極限以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。

3.3 實(shí)例分析

設(shè)某發(fā)射管管體總長(zhǎng)4 000 mm, 內(nèi)徑570 mm, 計(jì)算壓力3.5 MPa, 穩(wěn)定系數(shù)取3, 管體壁厚按2.3節(jié)中所述取[4, 30]間的值, 加強(qiáng)環(huán)個(gè)數(shù)取[1, 15]間的整數(shù)。根據(jù)扁鋼規(guī)格表, 加強(qiáng)環(huán)厚度按[10:12 14:2:22 25 28 30]選取, 高度按[12:2:22 25 28 30 32 35 36]選取, 以上長(zhǎng)度單位均為mm。

表2 不同計(jì)算壓力下的優(yōu)化結(jié)果

以上結(jié)果表明, 目前的管體設(shè)計(jì)對(duì)現(xiàn)階段的發(fā)射要求來(lái)說(shuō)是安全的, 而且有較大的優(yōu)化余地。在此, 繼續(xù)增大計(jì)算壓力, 考察大深度發(fā)射情況下的管體設(shè)計(jì), 優(yōu)化結(jié)果如表3所示。

表3 大深度條件下的優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化迭代計(jì)算結(jié)果表明, 在大深度發(fā)射時(shí), 現(xiàn)有發(fā)射管的管體設(shè)計(jì)已不能滿足要求, 尤其是加強(qiáng)環(huán)的尺寸, 目前設(shè)計(jì)中采用的加強(qiáng)環(huán)剛度過(guò)小, 不能保證管體在大深度時(shí)不失穩(wěn), 因此在大深度發(fā)射裝置的管體的設(shè)計(jì)中, 需要采用截面尺寸更大的加強(qiáng)環(huán)。

從優(yōu)化過(guò)程可以發(fā)現(xiàn), 遺傳過(guò)程會(huì)優(yōu)先選擇壁厚小而加強(qiáng)環(huán)個(gè)數(shù)多的組合, 這與這兩個(gè)因素對(duì)管體穩(wěn)定性的影響有關(guān), 因?yàn)樵诠荏w保持穩(wěn)定的前提下, 減小加強(qiáng)環(huán)間距可以減小壁厚; 此外, 加強(qiáng)環(huán)厚度小而高度大的組合會(huì)優(yōu)先保留下來(lái), 這是因?yàn)樵诮孛娣e相同的情況下, 高度越高其截面慣性矩越大, 因此在人工設(shè)計(jì)時(shí)可以利用上述規(guī)律, 結(jié)合尺寸的約束條件, 對(duì)管體進(jìn)行合理設(shè)計(jì), 使得相對(duì)情況下管體更輕。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將遺傳算法引入到魚(yú)雷發(fā)射管的優(yōu)化設(shè)計(jì)中, 設(shè)計(jì)時(shí)只需按設(shè)計(jì)要求改變現(xiàn)有程序中的相關(guān)參數(shù), 就能快速獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果, 從而使得發(fā)射管的管體設(shè)計(jì)變得方便易行。實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明, 在滿足同樣環(huán)境壓力要求的情況下, 采用該方法設(shè)計(jì)的管體較現(xiàn)有管體輕了17.8%, 并且能夠滿足發(fā)射裝置幾何尺寸的約束條件。文中還提出了大深度發(fā)射時(shí)發(fā)射管強(qiáng)度和穩(wěn)定性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

[1] 全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB150-1998 鋼制壓力容器[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1998.

[2] 化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書(shū)編輯委員會(huì). 化工容器設(shè)計(jì)[M]. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 1987.

[3] 梁基照. 壓力容器優(yōu)化設(shè)計(jì)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

[4] 閆雪蓮. 淺談外壓圓筒及其加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)[J]. 應(yīng)用能源技術(shù), 2010(5): 13-15.Yan Xue-lian. Design of Stiffeners for External Pressure Vessel Shell[J].Applied Energy Technology, 2010 (5): 13-15.

[5] 汪定偉, 王俊偉. 智能優(yōu)化方法[M]. 北京: 高等教育出版社, 2007.

Optimization Design of Torpedo Launch Tube Based on Genetic Algorithm

HUANG Ke, GAO Xing, DUAN Hao, WANG Yun

(Kunming Branch of the 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Kunming 650118, China)

To optimize the weight of torpedo launch tube and perform optimization design of large depth torpedo launch tube, a mathematical model is built with analytical method, and genetic algorithm is adopted to acquire the global optimal solution of the nonlinear discrete optimization problem for the minimum weight design of torpedo launch tube meeting strength and stability requirements on MATLAB platform. Results indicate that on the premise of meeting the existing tactical and technical indexes, there is still a large space for the weight optimization design of existing launch tube, but the existing launch cannot meet the requirement of large depth launch in the future. This study programs the design of torpedo launch tube for the purposes of engineering application and benefiting optimization design.

torpedo; genetic algorithm; launch tube; optimization design

TJ635

A

1673-1948(2013)02-0156-05

2012-11-12;

2012-12-03.

黃 科(1987-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)樗掳l(fā)射技術(shù).

(責(zé)任編輯: 許 妍)