基于iSIGHT的UUV优化设计平台

胡志强，陈宗芳，郑 荣

(1.机器人学国家重点实验室中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 110016;2.中国科学院 研究生院，北京 100049)

0 引言

在水下航行体的设计过程中，其外形设计是整个设计流程中的一项极其繁重又重要的工作。因为外形对航行体的快速性、操纵性和耐波性等均有重要影响。传统的设计，主要是通过借鉴已知的成功的航行体外形并结合设计者经验完成初步方案，并反复修改以形成最终方案。这一过程，即使采用CAD/CAM技术，仍然需要大量的手工操作，耗时耗力。同时，这一过程对设计人员有极高的要求，最终方案的优劣很大程度上取决于设计者的经验。而随着计算机技术及数值计算技术的发展，采用数值方法对设计方案进行优化设计已成为一种趋势，从而使航行体的参数化设计成为一种必须。所谓的参数化设计，即指对模型中的约束信息进行处理，使之成为可以调整的参数，将参数赋予不同的值，即可得到各种航行体模型。

iSIGHT是目前国际上优秀的综合性计算机辅助工程软件之一。iSIGHT软件将大量需要人工完成的工作由软件实现自动化处理，从而替代工程设计者进行重复性、易出错的数字和设计处理工作，因此iSIGHT被称为“软件机器人”。iSIGHT强大的集成功能，可以在设计过程中充分利用各学科先进的分析工具，并将其集成起来以实现设计流程的自动化。本文首先提出了一种型线及三维模型的参数化方法，并且自编程序驱动SolidWorks实现参数化建模，利用网格剖分软件 Gridgen实现网格的划分，然后利用iSIGHT平台集成Gridgen及CFX，进行了试验设计，以找到对模型阻力外形影响较大的参数，针对主要影响参数，选定了合理的参数范围，以最小阻力为目标实现了UUV的优化设计。

1 参数化方法

1.1 参数化思想

通常水下航行体为流线型，其纵剖线的形状类似于飞机的翼型曲线，故可借鉴飞机翼型的参数化表达方法实现对纵剖线的参数化。参考文献［1－2］提出了1种称为CST方法的曲线的参数化表达方法(见图1)。

图1 翼型的参数化表达Fig.1 The parametric expression of foil

图1所示曲线，其表达式为:

式中:ξT为末端厚度;C(ξ)称作种类函数(class function);S(ξ)称作形状函数(shape function)。理论上C(ξ)与S(ξ)可以是任意二阶连续函数。参考文献［1－2］对S(ξ)取的是n阶Bernstein多项式，并对每一项乘以不同的权重ai，以达到曲线可调节和设计优化的目的。当n1，n2，ai取不同值时，即可生成不同形状曲线，从而达到了曲线参数化的目的。这种方法所需参数少，表达能力强，曲线调整灵活，且易于编程实现。

CST方法的一个重要问题是其表达精度问题，即形状函数采用几阶多项式才能保证该方法具有足够的精度，以满足后续的建模及计算流体动力学的需要。下面以某已知型线为例，来研究CST方法的表达精度问题。

如图2所示，上图为已知型线，下图分别为其上下部分的形状函数，分别采用2，4，6，9阶 Bernstein多项式时其拟合的残差，见表1。

图2 型线及其形状函数Fig.2 Profile line and its shape function

表1 不同阶Bernstein多项式时的残差Tab.1 Residual error with different order of Bernstein polynomial

从表1可知，即使采用较低阶(4－6)的Bernstein多项式，仍然具有很高的表达精度，这也正是CST方法的优点。本文的设计中采用4阶Bernstein多项式。

1.2 三维模型的生成

对于回转体，通常可以看作是由纵剖线绕中心轴旋转而成。而对于非回转体，通常可以看作是二维曲线在空间位置的不同分布，图3所示。

图3 曲线在空间的分布Fig.3 The distribution of curves in space

非回转类航行体，通常左右对称，所以只需给出一侧的曲线分布位置参数即可。确定了曲线在空间的位置分布之后，对其进行放样，即可生成三维的航行体。如图3所示模型的空间位置分布参数如表2所示。

表2 空间分布参数Tab.2 Parameters of distribution in space

当参数给定后，通过自编程序调用SolidWorks，即可实现UUV的参数化建模。

2 参数取值范围

当完成参数化建模之后，需要完成参数取值范围的确定。通常型线参数范围的确定，可从实际布置的要求出发，利用包络线的概念，作出极限情况下的包络线，并确定此时包络线的参数。空间位置分布函数的确定，则需要结合UUV的物理尺度，外形要求，综合确定。

3 优化设计流程

由于目前的设计过程往往横跨多个学科，涉及大量专业软件，如本文就涉及了 SolidWorks，Gridgen，CFX等专业软件。如果单独在这些软件中进行操作，不仅耗时耗力，而且对操作人员要求也较高。针对这些问题，目前在多学科多目标优化设计领域，集成框架软件的开发已成为一项重要的研究内容。集成框架软件的思想是通过1个设计平台，来集成各个学科的专业知识，实现各学科间的数据共享及数据传递，从而将许多需要人工操作的地方变为全数字化和全自动化。

iSIGHT作为目前最流行的商用优化软件，具有强大的过程集成能力。能将各学科代码集成以实现设计流程的自动化，并能提供实时监控以及结果分析和处理功能。iSIGHT提供了诸如试验设计，优化设计，近似方法和质量工程等。iSIGHT内置大量优化算法，软件通常会根据用户问题的性质自动推荐算法，同时也可自己制定优化策略，也可将自己的算法加入iSIGHT，使其具有极强的扩展性。

本文采用自编程序驱动SolidWorks建模，然后通过Gridgen进行网格划分，通过CFX完成阻力计算，利用CFX-Post提供的后处理能力计算出阻力，再利用iSIGHT提供的文件解析能力，将阻力值作为优化的目标进行优化，以寻求最优设计。整个流程如图4所示。

图4 设计流程Fig.4 The process of design

由于本过程涉及多种软件，而通常每种软件都有其独特的数据格式，所以在集成过程中面临的一个重要问题是各软件的数据交互。数据交互的目的是实现不同学科软件之间的数据交换与共享。iSIGHT与SolidWorks之间的交互通过自编的程序实现，以达到利用优化算法寻找最优参数，并同步更新模型的功能。SolidWorks与CFD软件之间的数据交互主要是与网格划分软件Gridgen之间的数据交互，以实现几何参数传递，替代CFD中几何模型的重建工作，保证数据的一致性。由于Gridgen与SolidWorks均支持IGES数据标准，故在SolidWorks中完成三维建模后，将其存储为IGES格式，从而实现了 SolidWorks与Griegen之间的数据传递。

4 试验设计

由于本设计涉及参数较多，为了方便后续的优化设计，首先利用iSIGHT提供的试验设计功能，进行试验设计(DOE)，以找到对阻力性能起主要作用的参数，并针对这些参数进行优化设计。本文主要研究了剖面2，剖面3的空间 y向偏置位置yoffset3，yoffset4以及剖面1，剖面2的y向长度ylength2，ylength3等4个参数对UUV阻力性能的影响。各参数初始值取表1中的参数。采用正交矩阵方法，各因子取2个水平，分别为初始值的90%和110%。其试验矩阵如图5所示，其运行结果如图6所示。

由试验设计的运行结果可以看出，在上述的4个参数中，yoffset4是影响阻力的主要因素。

5 优化实例

我们仍然以试验设计中的4个参数作为优化设计的参数，其变量设置如图7所示。

根据本问题的特点，采用序列二次规划法(NLPQL)进行优化设计。这种算法基本思想是将目标函数以二阶拉氏方程展开，并把约束条件线性化，使得转化为1个二次规划问题。二阶方程通过quasi-Newton公式得到了改进，而且加入了直线搜索提高了算法的稳定性。优化结果如表3所示。

表3 优化结果Tab.3 The optimization result

从优化结果中可以看出，总阻力由197.888 3降低至179.585 4，阻力降低了9.25%，此优化设计的结果比较明显，达到了降低阻力的目的。

6 结语

本文通过自编软件，调用 SolidWorks，实现了UUV的参数化建模。利用iSIGHT强大的集成能力及优化设计能力，集成了SolidWorks，Gridgen，CFX等软件，建立了UUV的参数化建模及优化设计平台，使整个设计流程自动化，提高了设计效率。本文利用试验设计的方法，主要研究了空间分布参数对UUV阻力性能的影响，对其进行了优化设计。下一步的研究重点是与型线的参数的优化设计结合起来，以寻求最优设计。

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