基于BP神经网络的海上发射船耐波性优化研究.pdf
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1、第45 卷第2 4期2023年12 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.24Dec.,2023基于BP神经网络的海上发射船耐波性优化研究王宝来!,杨晓杰!,刘大辉2(1.烟台哈尔滨工程大学研究院,山东烟台2 6 40 0 0;2.中集海洋工程研究院有限公司,山东烟台2 6 46 7 0)摘要:为了保证海上火箭发射的安全,应用BP神经网络对火箭发射船加以优化。按照海上发射在设备布局方面要求进行总布置设计,建立火箭-发射船刚性连接端的弯矩模型,以方形系数、船长和船宽为优化变量,通过BP神经网络模型对母型船进行优化设计,优化得到的船型弯矩比母型船减少了
2、19.41%;对部分优异样本点进行再建模和数值仿真,仿真结果表明,BP神经网络模型的误差不到1%,验证了模型的准确性。该研究为海上发射船设计优化提供了一种研究思路,为海上火箭发射是否存在风险提供了一种预知方法。关键词:BP神经网络模型;全因子试验;火箭弯矩;发射船优化中图分类号:TP183文章编号:16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 4-0 0 47-0 5Research on seakeeping optimization of marine launcher based on BP neural network(1.Yantai Research Institute of H
3、arbin Engineering University,Yantai 264000,China;2.CIMC Offshore Engineering Research Institute,Yantai 264670,China)Abstract:In order to ensure the safety of sea launch,BP neural network is used to optimize the launch ship.Carry outgeneral layout design according to the requirements of equipment lay
4、out for offshore launch.The bending moment model ofthe rigid connection end of the rocket launcher is established.Taking the square coefficient,the length and the width of theship as the optimization variables,the parent ship is optimized through the BP neural network model.The bending momentof the
5、optimized ship is 19.41%less than that of the parent ship.The accuracy of the model is verified by re modeling andnumerical simulation of some sample points.The results show that the error of the BP neural network model is less than 1%.This study provides a research idea for the design optimization
6、of offshore launch ship,and a prediction method for risk ofoffshore rocket launch,Key words:BP neural network model;full factor experiment;rocket bending moment;launch ship optimization0引言发射场地选择是火箭发射的一个重要考虑因素。目前,火箭发射的方式主要分为地面发射、海上发射和空中发射,各国最先研究的发射方式是地面发射,因为地面发射与海上发射、空中发射相比更为容易。受成本和技术的影响,目前各国空中发射的研究相
7、对来说较少1-2 1。海上发射公司已经多次成功完成了海上火箭发射,掌握海上火箭发射技术对未来国家的经济发展和国防事业有着极为重要的影响。对于海上发射来说,要保证火箭高效安全的发射,发射船的性能极为重要3-4。为了提高船舶的性能,国内外学者进行单收稿日期:2 0 2 2-12-19作者简介:王宝来(197 9),男,博士,副教授,研究方向为结构优化设计。文献标识码:AWANG Bao-lail,YANG Xiao-jie,LIU Da-hui?doi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.24.008学科及多学科优化,主要包括耐波性、阻力和操纵性。Lawrenced5 研究
8、了不同参数对船舶阻力的影响。结论为最重要的参数是长细比,并且其越大阻力越小。Miao等6 将NM理论与CFD技术结合,开发了一个水动力优化模型,大大降低了计算成本。Wang等7 应用NURBS方法对船体曲面进行改造,通过兴波理论计算三体船的阻力,结合梯度下降法提出了一种高效的船体优化方法。刘畅等8 创建了一个用于发射平台耐波性性能优化的系统,该系统由发射平台、耐波性优化设计、船体型线改造组成,可实现以集装箱船为代表的发射平台耐波性优化。钱建魁9 将耐波性和阻力结合,以船体型线参数为变量,将船体水动力性48能作为优化目标,通过遗传算法搜索遍历,得到一组最优解。王许浩10 在单体船上增加了一对组合
9、减摇装置,耐波性得到了大幅度提升,并且其阻力没有多大改变。冯佰威!1把耐波性、阻力等水动力性能指标作为优化目标,以船体型线参数为变量,建立了多学科优化平台。Thiagajan12以船宽、船长和水线面面积为变量,分别以滑行艇的耐波性、稳性和操作性为优化目标,利用saea和idea算法求解,但没有给出三者共同优化的结果。Scamardellal13以浮心纵向位置、棱形系数和方形系数为变量,应用参数化建模,将晕船率作为优化目标。然后,将得到的优化船型与母型船比较,其性能远优于母型船。Vernengo41通过全局收敛遗传算法对不同航速下,双体船的耐波性和阻力进行优化,在高速航行时,阻力降低15%,垂荡
10、加速度降低3 0%。刘波等15 采用二进制编码的遗传算法进行船体局部优化,并通过3 个算例对算法进行验证。周凤杰16 采用粒子群-遗传算法研究船舶避碰的路径优化,仿真结果表明该算法收敛速度较快。吴贝尼等17 提出一种基于遗传算法的双向渐进结构理论,以解决传统算法中参数设置不当而无法求得全局最优解的问题。本文建立了火箭竖起时的弯矩模型,并以火箭所受弯矩为优化目标函数,以方形系数、船长和船宽为优化变量进行了全因子试验,应用BP神经网络模型对母型船完成了优化设计。1母型船参数根据火箭发射对场地的要求,船长范围为10 0 L110,船宽范围为3 0 B35,并且发射船应能够承受火箭发射瞬间对其造成的巨
11、大冲击力,因此发射载体的吨位应在8 0 0 0 t以上。油船纵向强度大、压载水量大、航行稳定性好,并且甲板面积足够大,能够确保发射过程的安全以及火箭发射配套设施的布置。因此,以油船作为火箭载体的母型船。其参数如表1所示。2发射船总布置设计在发射船的整个设计阶段,总布置设计有极为重表1母型船主要参数Tab.1Main parameters of mother ship参数船长/m船宽/m数值105参数方形系数吃水深度棱形系数中面系数水线面系数数值0.684舰船科学技术要的地位。总布置设计工作会对船舶的性能有很大影响。考虑到用于发射火箭的特殊性,应保证船舶的首尾吃水深度一致。根据空船的重量重心,以
12、及发射船在型线、结构布局和设备的布置,对火箭发射船进行重量重心估算,如表2 所示。表2 重量重心估算Tab.2Weight center of gravity estimation组成重量/船体2960锚泊系统80推进系统240火箭160管系系统170整体80003优化模型的建立发射船受到风和浪的作用会产生六自由度运动,火箭竖起之后,将随发射船的运动而运动,火箭的重心很高,转动惯量大。因此,火箭会产生巨大的弯矩,如果弯矩超过火箭材料所允许的弯矩值,会影响火箭的安全发射。建立火箭力学模型,推导火箭的弯矩函数,为优化目标函数和优化变量的确定奠定了基础。建立三维空间坐标系,Y轴沿船长方向,X轴向右,
13、Z轴指向火箭方向18,如图1所示。火箭基本参数见表3。对火箭承受弯矩影响最大的是发射船纵摇幅值、横摇幅值和垂荡加速度,忽略纵荡和横荡对火箭弯矩的影响,考虑到保证火箭竖起时的安全,火箭竖起时,应该调节发射船使其处于迎浪或者背浪状态。可ZS。图1火箭模型图Fig.1 Rocket model型深/m排水量/m32115.8180.709第45 卷重心X/m重心Y/m00-400-29.10-4500000ZXX水线长/m表3 火箭基本参数800098.8100.9650.756重心Z/m8842666.34Tab.3Parameters of rocket火箭长度/m结构阻尼比290.008一阶固
14、有频率0.76第45 卷将火箭固定于发射船的情形视为一端固定于刚性固定端、一端自由的非均匀弹性悬臂结构,以此来计算火箭的运动和受力情况。S=Azsint,a=S=Oz/?sin At,f(x,t)=m(z)a=m(z)S=m(z)oz sin t。式中:s为火箭的位移;a为火箭加速度;f(x,t)为火箭的惯性力。取火箭微元段dz进行受力分析(见图2)。MICNmy图2 火箭微元受力分析图Fig.2 Force analysis diagram of micro element of rocket由力的平衡方程ZF=0可得:N+Ndz-N+mydz-Fdz+cy=0,即Ndz+mydz-Fdz+
15、cy=O。考虑火箭材料的非弹性阻尼,应力应变关系可表示为:8=yj,g=E&+C,8。通过截面应力积分得到弯矩:M=oydA,A对火箭全长进行积分得到总弯矩:Myo=2osinar J m()2 d+.mmJ(2)m(2)d J f(2)2 m(2)dz,MyL=(g+2)sin J,m(2)2 dz,M=Mye+MyL,J&f(2):m(z)dz.sin=L王宝来,等:基于BP神经网络的海上发射船耐波性优化研究V1-+4g2(1)mm=f(2)m(z)dz。(2)根据文献19,长征六号火箭参数积分得到的总(3)弯矩函数表达式为:M=2278322.8380+103495.65580之。式中:
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