黃 科, 高 興, 段 浩, 王 云

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基于遺傳算法的魚雷發(fā)射管優(yōu)化設計

黃 科, 高 興, 段 浩, 王 云

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

為了優(yōu)化發(fā)射裝置質量, 探討大深度魚雷發(fā)射管的優(yōu)化設計方法, 通過解析法建立了魚雷發(fā)射管在滿足強度和穩(wěn)定性要求的前提下, 質量達到最輕的優(yōu)化設計數學模型, 并以MATLAB為平臺采用遺傳算法對該約束非線性混和離散變量優(yōu)化問題進行全局尋優(yōu)。計算結果表明, 在滿足目前戰(zhàn)技指標的前提下, 現(xiàn)有發(fā)射管在質量方面還有很大的優(yōu)化余地, 但不能滿足未來大深度發(fā)射時的要求。將管體的設計工作程序化, 具有一定的工程應用價值, 對魚雷發(fā)射管管體優(yōu)化設計具有一定參考意義。

魚雷; 遺傳算法; 發(fā)射管; 優(yōu)化設計

0 引言

魚雷發(fā)射管作為水中兵器發(fā)射裝置的承壓結構及發(fā)射通道, 均在水下工作和運行, 除了在發(fā)射時管內注有水外, 其他大部分時間管內為空氣, 由此管外海水與管內空氣形成壓差, 在深潛時該壓差可達幾兆帕, 發(fā)射管管體不僅承受較大的外壓作用, 還要承受發(fā)射過程巨大的壓力脈動; 而隨著潛艇下潛深度和魚雷發(fā)射深度的增大, 必然要求魚雷發(fā)射裝置的最大潛射深度增加, 可引入新的發(fā)射原理以適應深度的變化, 同時發(fā)射管的結構在強度和穩(wěn)定性方面都要滿足更高要求。目前魚雷發(fā)射管由前管、前中管、滑套閥和后管等多個部分組成, 其中前管和前中管占管體的絕大部分且處于耐壓艙壁外, 長期浸泡在水中, 工作環(huán)境惡劣, 是管體的主要承壓結構, 設計中需重點考慮它們的強度和穩(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, 結構得到加強, 且后管處于耐壓艙壁內, 工作時僅受內壓作用。本文將需承受外壓作用的前管和前中管作為一個整體, 針對其優(yōu)化設計工作進行研究。對于外壓圓筒設計, 雖然靠增大壁厚、增多加強環(huán)個數以及增大加強環(huán)截面尺寸從而滿足壓力增大時的強度和穩(wěn)定性要求, 但無法適應輕量化這一趨勢。現(xiàn)代潛艇要求攜帶的裝備越來越多, 而潛艇的承載能力有限, 潛艇一艙對發(fā)射裝置的質量要求越來越嚴格, 所以在不影響作戰(zhàn)效能的前提下, 降低裝備質量顯得尤為重要。

關于外壓容器的設計, 相關標準(如GB150)介紹了圖表法[1], 該方法的一個特點是需要查找相應材料的系數圖, 若設計中需要采用某種特定材料但缺乏相關數據時, 就無法采用該方法, 并且需要反復多次的計算, 對于一般設計人員來說過于繁瑣; 文獻[2]介紹了解析法, 設計時需要先假設一組取值, 然后驗證該組取值是否滿足強度、剛度和穩(wěn)定性要求, 否則需要調整所取數值, 重復驗證計算, 直到滿足要求為止, 所得結果也不一定能滿足質量最優(yōu)要求; 設計中還需注意管體壁厚、加強環(huán)個數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)化設計的過程實際上是在這些離散的取值中選出一個最優(yōu)組合, 所以魚雷發(fā)射管輕量化設計是一個混合離散變量優(yōu)化問題。

傳統(tǒng)的優(yōu)化方法先將離散變量當連續(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用, 所以需要采用離散變量優(yōu)化方法, 如近些年發(fā)展起來的遺傳算法和模擬退火算法等, 它們在船舶和建筑結構的優(yōu)化設計方面已經有了很好的應用。

本文在考慮強度和穩(wěn)定性的基礎上, 建立了以管體質量最輕為目標的優(yōu)化設計數學模型, 并以MATLAB為平臺, 采用遺傳算法求解該約束非線性混合離散變量優(yōu)化問題, 實例計算結果表明, 該方法能快速得出滿足要求的管體設計, 具有一定的工程應用價值。

1 結構強度及穩(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。當前蓋關閉且內部未注水時, 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。分析設計時, 必須根據潛艇的極限深度來確定計算壓力。

圖1 發(fā)射管水下受壓示意圖

1.1 管體強度

發(fā)射管管體采用高強度材料, 屈服極限達到500 MPa以上, 所以管體強度相對于其穩(wěn)定性來說發(fā)生失效的可能性不大, 但為安全起見仍需對管體強度進行校核, 而且在采用Mises公式計算管體失穩(wěn)臨界壓力時需要滿足2個條件[2]:

對于圓筒, 條件2)能夠滿足, 所以在采用Mises公式計算時只需保證條件1), 而1)又與第1和第3強度理論的要求相符合。因此, 對于焊接圓筒, 在考慮焊縫對強度的影響后, 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, 魚雷檔塊需要開有兩個矩形小孔, 如圖2所示。開孔會對管體的強度產生一定的影響, 但其上焊接的上制止器箱將開孔封閉在內, 還對該處進行了局部加強, 所以文中不考慮開孔對管體強度的影響。

圖2 管體開孔示意圖

1.2 失穩(wěn)臨界壓力分析

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

外壓薄壁短圓筒在四周受壓力作用時, 其臨界壓力為

麥克公式

表1 波形數圓整值

1.3 加強環(huán)剛度分析

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

圖3 加強環(huán)與筒體截面

2 數學模型的建立

2.1 設計變量

2.2 目標函數

以質量最優(yōu)為目標, 目標函數為如下形式

該式的物理意義即為筒體的當量厚度, 其值越小則耗材越少, 筒體質量也越輕。

2.3 約束條件

由結構分析部分可知, 優(yōu)化設計需要滿足強度和穩(wěn)定性等性態(tài)約束條件; 此外, 根據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)定對于不銹鋼制品,容器壁厚需大于2 mm; 板材厚度也應符合冶金產品標準, 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; 加強環(huán)個數不能過多, 否則間距過小不便于布置施工; 加強環(huán)截面尺寸也應在扁鋼的規(guī)定范圍內。

3 優(yōu)化方法

3.1 算法選擇

該數學模型為約束非線性混合離散變量的優(yōu)化問題, 文獻[3]在處理相關問題時, 先將離散變量當作連續(xù)變量, 然后采用傳統(tǒng)的優(yōu)化方法來處理該有約束的優(yōu)化問題, 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)變量優(yōu)化得到的“最優(yōu)解”圓整到相鄰的離散值時, 會產生多種組合, 這些組合中有的可能已經不在可行域內, 有的即使在可行域內也僅為局部最優(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 算法實現(xiàn)

遺傳算法的基本思想是根據問題的目標函數構造一個適值函數, 對一個由多個解(每個解對應一個染色體)構成的種群進行評估、遺傳運算、選擇, 經多代繁殖, 獲得適應值最好的個體作為問題的最優(yōu)解[5]。

式中,(k)為懲罰因子, 是一個大于零的遞增數列。

在懲罰項中

此方法的優(yōu)點是能提前計算好選擇概率, 節(jié)省算法執(zhí)行時間, 并且選擇壓力可控。得到選擇概率后, 采用旋輪法來實現(xiàn)選擇操作。

此外遺傳算法實現(xiàn)過程中還要考慮的因素有種群大小, 遺傳代數, 交叉率及變異率, 其數值的選取會對收斂速度和結果產生影響。作者根據前面所述方法運用MATLAB軟件編寫了相應的計算程序, 可根據設計要求改變程序中計算壓力, 管體長度和內徑以及材料的屈服極限以進行優(yōu)化設計分析。

3.3 實例分析

設某發(fā)射管管體總長4 000 mm, 內徑570 mm, 計算壓力3.5 MPa, 穩(wěn)定系數取3, 管體壁厚按2.3節(jié)中所述取[4, 30]間的值, 加強環(huán)個數取[1, 15]間的整數。根據扁鋼規(guī)格表, 加強環(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, 以上長度單位均為mm。

表2 不同計算壓力下的優(yōu)化結果

以上結果表明, 目前的管體設計對現(xiàn)階段的發(fā)射要求來說是安全的, 而且有較大的優(yōu)化余地。在此, 繼續(xù)增大計算壓力, 考察大深度發(fā)射情況下的管體設計, 優(yōu)化結果如表3所示。

表3 大深度條件下的優(yōu)化結果

優(yōu)化迭代計算結果表明, 在大深度發(fā)射時, 現(xiàn)有發(fā)射管的管體設計已不能滿足要求, 尤其是加強環(huán)的尺寸, 目前設計中采用的加強環(huán)剛度過小, 不能保證管體在大深度時不失穩(wěn), 因此在大深度發(fā)射裝置的管體的設計中, 需要采用截面尺寸更大的加強環(huán)。

從優(yōu)化過程可以發(fā)現(xiàn), 遺傳過程會優(yōu)先選擇壁厚小而加強環(huán)個數多的組合, 這與這兩個因素對管體穩(wěn)定性的影響有關, 因為在管體保持穩(wěn)定的前提下, 減小加強環(huán)間距可以減小壁厚; 此外, 加強環(huán)厚度小而高度大的組合會優(yōu)先保留下來, 這是因為在截面積相同的情況下, 高度越高其截面慣性矩越大, 因此在人工設計時可以利用上述規(guī)律, 結合尺寸的約束條件, 對管體進行合理設計, 使得相對情況下管體更輕。

4 結束語

本文將遺傳算法引入到魚雷發(fā)射管的優(yōu)化設計中, 設計時只需按設計要求改變現(xiàn)有程序中的相關參數, 就能快速獲得最優(yōu)設計結果, 從而使得發(fā)射管的管體設計變得方便易行。實例計算結果表明, 在滿足同樣環(huán)境壓力要求的情況下, 采用該方法設計的管體較現(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)射時發(fā)射管強度和穩(wěn)定性的優(yōu)化設計方法。

[1] 全國壓力容器標準化技術委員會. GB150-1998 鋼制壓力容器[S]. 北京: 中國標準出版社, 1998.

[2] 化工設備設計全書編輯委員會. 化工容器設計[M]. 上海: 上?？茖W技術出版社, 1987.

[3] 梁基照. 壓力容器優(yōu)化設計[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2010.

[4] 閆雪蓮. 淺談外壓圓筒及其加強圈的設計[J]. 應用能源技術, 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, 主要研究方向為水下發(fā)射技術.

(責任編輯: 許 妍)