多學科設計優化理論及其在大深度載人潛水器設計中的應用 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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潘彬彬，崔維成 著

圖書標籤:

• 設計優化
• 多學科優化
• 深度載人潛水器
• 結構設計
• 係統工程
• 優化算法
• 工程設計
• 船舶與海洋工程
• 參數化設計
• 數值分析

齣版社： 浙江科學技術齣版社

ISBN：9787534179082

版次：1

商品編碼：12351680

包裝：精裝

開本：16開

齣版時間：2017-12-01

用紙：膠版紙

頁數：209

字數：340000

正文語種：中文

內容簡介

　　《多學科設計優化理論及其在大深度載人潛水器設計中的應用》是一本以大深度載人潛水器設計為背景介紹多學科設計優化理論和可靠性設計理論及其應用的專著。
　　《多學科設計優化理論及其在大深度載人潛水器設計中的應用》以“蛟龍”號深潛器項目為基礎，分八章介紹瞭製造大深度載人潛水器需要的工程係統理論及其應用，對下潛深度達到“蛟龍”號，甚至是超過“蛟龍”號的潛水器設計具有重要的藉鑒作用。

內頁插圖

目錄

第1章 緒論
1．1 大型復雜工程係統設計問題概述
1．2 多學科設計優化研究概述
1．3 載人潛水器發展曆史概述

第2章 多學科設計優化理論
2．1 多學科設計優化建模
2．2 多學科設計優化方法
2．3 多學科設計優化的關鍵技術
2．4 優化與可靠性
2．5 多學科設計優化算例

第3章 不確定性理論
3．1 古典概率論
3．2 模糊理論
3．3 凸集理論
3．4 區間理論
3．5 證據理論
3．6 廣義概率論

第4章 係統可靠度和可靠性分析
4．1 可靠度
4．2 可靠度分析方法
4．3 模糊可靠度分析簡介

第5章 基於可靠性的多學科設計優化
5．1 可靠性設計方法
5．2 基於可靠性的多學科設計優化方法

第6章 載人潛水器設計
6．1 載人潛水器的主要構成
6．2 載人潛水器的設計概述
6．3 載人潛水器的設計基礎
6．4 載人潛水器設計的關鍵技術

第7章 多學科設計優化在載人潛水器設計中的應用
7．1 載人艙可靠性設計
7．2 載人潛水器總體設計優化

參考文獻
符號和縮略詞清單

前言/序言

　　隨著地球上人口的急劇膨脹，陸上資源供應已趨極限，各國都把經濟發展的重點轉移到海洋。這是因為占地球總麵積2/3以上的浩瀚大海裏，蘊藏著極其豐富的海水化學資源、海底礦産資源、海洋動力資源和海洋生物資源等，人類將在21世紀全麵步人海洋經濟時代。海洋開發將形成如海洋油氣工業、海洋化學工業、深海采礦業等一批新興産業。為瞭更好地開發和利用海洋，必須及時建設我國的深海裝備體係，以滿足我國對深海礦産資源調查、深海綜閤調查研究、深海科學研究、海洋資源開發和海洋權益維護等需求。深海裝備體係可以包括進行勘查和作業的各類潛水器，如載人潛水器（HOV）、遙控潛水器（ROV）、自治潛水器（AUV）及其復閤形式（ARV或HROV）；搭載潛水器進行作業的水麵支持母船；進行水下勘查和作業的通用或專用深海作業工具；進行海洋環境長期觀測的海底觀測站；在真實深海環境條件下能進行科學研究的深海實驗室；可用於深海環境觀測、科學試驗、深海資源開發的大型深海T4作站等。其中，至少各一颱的HOV、ROV和AUV以及相關的深海作業工具是深海運載體係的一個最基本的配備。這是因為此三類潛水器各有特點、功能互補，而且在有些情況下它們需要協同怍業，在意外情況下需要相互救援。如果隻有單一的潛水器，其使用在功能上受到限製，在工作中存在“使用風險”，會大大地降低某一種潛水器的使用效能和效率。
　　我國從20世紀80年代開始對無人潛水器和載人潛水器開展研究，至2012年具有國際上作業型載人潛水器最大下潛深度的“蛟龍”號載人潛水器的研製成功，終於躋身國際深潛技術發達國傢俱樂部，科技部在“十二五”期間立項支持瞭三颱經濟實用型的4500米級的ROV、AUV和HOV的研製，目的是消化吸收在“蛟龍”號研製過程中的引進技術，鞏固技術基礎。“十三五”期間，科技部將全麵支持11000米級的全海深載人和無人潛水器的研製，使深海裝備技術的發展進入一個黃金時期。
　　為瞭進一步加快我國載人深潛技術的發展速度，我從2013年3月起在上海海洋大學領導的大力支持下，在國內高校中成立瞭首個深淵科學與技術研究中心，2014年11月獲批“上海深淵科學工程技術研究中心（籌）”，我們招聘技術團隊研製由3颱萬米級著陸器、1颱AUV/ROV復閤型的無人潛水器和1颱3人作業型的載人潛水器以及1條4800噸級的專用科學考察母船組成的深淵科學技術流動實驗室，同時招聘一些海洋科學傢專攻深淵科學，期望攀登載人深潛技術的高峰，為填補我國的深淵科學空白作齣積極的貢獻。我們與上海彩虹魚海洋科技股份公司緊密閤作，采用“民間資金+國傢支持”的新模式，把整個項目命名為“彩虹魚挑戰深淵極限”。在上海地方政府和社會有識之士的大力支持下，目前整個項目進展順利！

《多學科設計優化理論及其在大深度載人潛水器設計中的應用》 本書深入探討瞭多學科設計優化（MDO）的理論基礎，並將其前沿應用聚焦於極具挑戰性的大深度載人潛水器（HOV）設計領域。隨著人類探索海洋的腳步不斷深入，對潛水器在極端深海環境中作業的能力提齣瞭前所未有的要求。傳統的設計方法往往難以有效協調結構、推進、生命支持、通信、水聲學等多個相互關聯但又相互製約的學科，導緻設計效率低下，難以實現最優性能。 本書的開篇，將引領讀者係統梳理MDO的核心理念。我們將從優化問題的基本框架入手，詳細闡述多學科係統分析（MDA）在MDO中的關鍵作用，以及如何通過各類優化算法，如梯度法、遺傳算法、模擬退火等，求解復雜的非綫性優化問題。在此基礎上，本書將深入剖析MDO的幾種主要協同架構，包括聯閤優化（CO）、分層優化（TO）、獨立性約束（IC）以及分塊分解（BD）等，並分析它們在不同工程問題中的適用性和優劣勢。讀者將瞭解到，選擇閤適的MDO架構是高效進行係統優化的關鍵，而這一選擇往往與問題的規模、學科間的耦閤程度以及可用的計算資源密切相關。 接著，本書將視角轉嚮大深度載人潛水器這一具體工程應用。我們將詳細解析其復雜的設計需求，包括但不限於：在巨大的外部靜水壓力下保持結構完整性與安全性的耐壓殼設計；在極端惡劣的水下環境中實現精準定位與高效推進的動力學與控製係統；保障乘員生命安全的生命支持係統；以及遠距離、高帶寬水下通信與水聲探測技術。這些子係統之間的相互影響是巨大的：例如，減輕耐壓殼的重量可以直接提升潛水器的有效載荷和續航能力，但可能會增加結構分析的復雜度；優化的推進係統設計不僅需要考慮能耗，還需要與潛水器在水下的機動性和穩定性緊密結閤。 本書的核心貢獻在於，將MDO理論與HOV設計的具體難題巧妙結閤。我們將通過一係列詳細的案例研究，展示如何運用MDO技術來解決HOV設計中的關鍵瓶頸。例如，在耐壓殼設計方麵，我們將探討如何通過MDO框架，將材料選擇、殼體形狀、加強筋布局與結構強度、重量、製造成本等多個約束條件和目標函數耦閤起來，實現結構最優設計。對於推進與控製係統，MDO可以幫助我們協同優化螺鏇槳的尺寸與形狀、電機功率、控製算法參數，以達到最高的能源效率和最優的操縱性能。生命支持係統中的氧氣供給、二氧化碳去除、溫度和濕度控製等環節，亦可通過MDO進行集成優化，確保在有限的空間和能源條件下，最大程度地保障乘員的舒適與安全。 此外，本書還將關注MDO在HOV設計中的一些新興技術和挑戰。我們將探討如何將人工智能與機器學習技術融入MDO流程，以加速設計迭代，並從海量數據中發現更優的設計模式。同時，對於高風險的大深度潛水器設計，如何有效地進行不確定性分析和魯棒性設計，也是本書著重討論的議題。通過將MDO與風險評估模型相結閤，我們可以為決策者提供更可靠的設計依據，降低潛在的事故風險。 本書的另一大亮點在於其理論深度與實踐可操作性的平衡。在理論層麵，我們力求嚴謹、係統，為讀者構建堅實的MDO知識體係。在實踐層麵，我們通過詳細的算法描述、清晰的流程圖示以及豐富的工程案例，幫助讀者理解如何將MDO方法應用於實際的潛水器設計項目，即使是復雜的、跨學科的難題，也能找到有效的解決路徑。 總而言之，《多學科設計優化理論及其在大深度載人潛水器設計中的應用》不僅是一本關於MDO理論的專著，更是一部指導讀者如何運用這一強大工具解決復雜工程問題的實用指南。它將為從事海洋工程、航空航天、汽車製造等相關領域的工程師、研究人員以及高等院校師生提供寶貴的參考價值，助力他們在大深度載人潛水器這一尖端領域取得新的突破。

評分☆☆☆☆☆

這本書帶給我的驚喜，遠不止於對潛水器設計的技術細節的瞭解，更在於它所展現齣的那種嚴謹而又充滿創新精神的研究態度。作者在論述“多學科設計優化”的理論基礎時，並沒有止步於理論的堆砌，而是深入淺齣地分析瞭各種優化算法的優缺點，以及它們在大深度載人潛水器設計中可能遇到的挑戰。我特彆佩服書中對於“約束條件”的細緻處理，比如，材料的最大許用應力、能源的供給能力、通信的帶寬限製等等，這些現實存在的“天花闆”，是如何被巧妙地納入到優化模型中的。讀到這裏，我仿佛看到一位經驗豐富的工程師，在精密計算每一個參數，權衡每一個得失，力求在重重限製下，設計齣最接近完美的方案。書中提到的“參數化建模”和“仿真分析”等技術，雖然我不是這方麵的專傢，但通過作者的描述，我大緻理解瞭它們是如何將抽象的設計概念轉化為可視化的模型，並通過計算機模擬來驗證設計的閤理性。這種“理論指導實踐，實踐反哺理論”的研究模式，讓我感受到瞭科學探索的魅力，也讓我對工程技術的嚴謹性有瞭更深刻的認識。

評分☆☆☆☆☆

總而言之，這本書是一本集理論深度、實踐指導和思想啓迪於一體的優秀讀物。它以大深度載人潛水器設計為切入點，深入淺齣地介紹瞭“多學科設計優化”這一前沿理論，並展示瞭其強大的應用潛力。作者的寫作風格嚴謹而不失生動，案例分析詳實而富有啓發性。我從這本書中不僅瞭解瞭潛水器設計背後的科學原理和工程挑戰，更重要的是，它教會瞭我一種係統性的、全局性的思考問題的方式。它讓我認識到，麵對復雜的工程問題，孤軍奮戰是遠遠不夠的，隻有整閤多學科的智慧，進行精密的協同設計，纔能最終實現最優化的解決方案。對於任何對工程技術、深海探索，或者僅僅是想提升解決復雜問題能力的朋友來說，這本書都絕對值得一讀，它會為你打開一扇通往更廣闊知識領域的大門。

評分☆☆☆☆☆

讓我印象深刻的是，作者在書中並沒有迴避“不確定性”和“風險”。在大深度載人潛水器設計這樣充滿挑戰的領域，任何一個小小的疏忽都可能導緻災難性的後果。書中詳細探討瞭如何通過“魯棒性設計”來提高係統的可靠性，即使在麵對外部環境的變化或內部組件的微小故障時，也能保持穩定運行。我尤其欣賞書中關於“失效模式與影響分析”（FMEA）的介紹，這是一種係統地識彆潛在失效模式，並評估其可能造成的影響的方法。通過這種預判性的分析，工程師可以在設計階段就采取相應的措施，來預防或減輕這些風險。例如，針對某個關鍵部件的潛在失效，可能會設計冗餘備份係統，或者選擇更可靠的材料。這種“未雨綢繆”的設計思路，讓我對潛水器的安全性有瞭更深的信心，也讓我體會到瞭工程師們的責任感和使命感。

評分☆☆☆☆☆

哇，這本《多學科設計優化理論及其在大深度載人潛水器設計中的應用》簡直是給我打開瞭一扇新世界的大門！作為一名對深海探索充滿無限好奇的普通讀者，我一直對那些潛入萬米深淵的潛水器充滿瞭敬畏，它們究竟是如何在那樣極端惡劣的環境下實現穩定運行，並承載著人類的探索使命？這本書，雖然名字聽起來有點“硬核”，但它卻用一種極其引人入勝的方式，將深奧的理論變得觸手可及。我印象最深的是書中關於“多學科設計優化”的闡述，它不再是孤立地看待一個潛水器的某個部件，而是將流體力學、結構力學、材料科學、生命維持係統、通信係統等等所有關鍵技術都串聯起來，形成一個相互影響、相互製約的整體。作者並沒有直接給我一個現成的答案，而是教會我思考問題的維度，如何從整體齣發，在各個學科領域之間找到最佳的平衡點。比如，為瞭追求更低的阻力，我們可能需要改變船體形狀，但這又會對結構強度提齣更高的要求，材料的選擇也隨之變得至關重要。這種“牽一發而動全身”的設計邏輯，在書中得到瞭淋灕盡緻的體現，讓我深刻理解瞭為何一個看似簡單的潛水器，背後卻凝聚瞭如此多的智慧和工程挑戰。它讓我意識到，真正的創新並非源於單點突破，而是源於對復雜係統之間相互作用的深刻洞察和精妙調控。

評分☆☆☆☆☆

坦白說，一開始翻開這本書，我腦子裏還是有點打鼓的，畢竟“多學科設計優化”聽起來就像是那些高精尖的學術論文，擔心會晦澀難懂，變成一本隻適閤專業人士的“工具書”。但讀下去纔發現，這完全是多慮瞭！作者的寫作功底非常紮實，他巧妙地將那些復雜的理論概念，通過生動形象的比喻和貼近實際的案例，娓娓道來。就拿大深度載人潛水器來說，書中詳細分析瞭不同設計方案可能帶來的連鎖反應，比如，為瞭應對巨大的水壓，可能需要加厚殼體，但這又會增加潛水器的自重，從而影響其浮力和推進效率。作者通過大量的圖錶和詳細的數據分析，讓我能夠清晰地看到這些相互關聯性，仿佛親身參與到瞭一場模擬的設計過程中。我尤其喜歡書中關於“優化目標”的探討，它不僅僅是追求單一的性能指標，而是要綜閤考慮安全性、可靠性、經濟性、可維護性等多個維度，並且在這些目標之間進行權衡和取捨。這種“麵麵俱到”的設計理念，在現實生活中也同樣適用，無論是個人職業發展還是企業管理，都能從中獲得啓發。這本書讓我明白，真正的智慧在於如何整閤資源，如何在一個復雜的問題中找到多方共贏的解決方案。

評分☆☆☆☆☆

對於我這樣一名業餘愛好者來說，能夠從這本書中獲得如此詳盡的知識，實在是太幸運瞭。我一直好奇，為什麼有些潛水器能夠承受如此巨大的壓力，而有些則不行？書中對此進行瞭非常深入的剖析，它不僅僅從材料本身的強度來解釋，更重要的是，它強調瞭結構設計的重要性。比如，球形或近似球形的耐壓殼體，能夠將外部壓力均勻地分散到殼體錶麵，從而最大限度地提高強度。作者在這一部分，詳細講解瞭不同殼體結構的力學特性，以及它們在承受外部載荷時的形變規律。讓我印象深刻的是，書中還提到瞭“減載設計”的概念，通過優化內部布局、減少不必要的內部應力集中點，也能有效地提高潛水器的承壓能力。這種將力學原理與工程實踐緊密結閤的講解方式，讓我不僅“知其然”，更“知其所以然”。它不僅僅是一本關於潛水器設計的書，更是一本關於如何運用科學原理解決實際工程問題的教科書，其所蘊含的思維方式，能夠遷移到我們生活的方方麵麵。

評分☆☆☆☆☆

這本書的價值，絕不僅僅局限於“大深度載人潛水器”這個特定的應用領域。它所闡述的“多學科設計優化”的理論和方法，具有極其廣泛的通用性。我讀到後麵，甚至覺得書中很多關於係統集成、協同設計、風險管理等方麵的思想，同樣適用於航空航天、能源工程、智能交通等眾多領域。作者在講解過程中，會穿插一些其他工程領域的例子，來佐證其理論的普適性。這讓我意識到，掌握瞭“多學科設計優化”的精髓，就相當於擁有瞭一把通往解決復雜工程問題萬能鑰匙。我甚至開始思考，在日常生活中，我們是否也能藉鑒這種思維方式，來優化我們的學習計劃、工作流程，甚至是生活方式？這本書所帶來的啓發，已經遠遠超齣瞭它的字麵含義，它正在改變我思考問題的方式。

評分☆☆☆☆☆

這本書最讓我感到振奮的，是它所展現齣來的“係統工程”的強大力量。在閱讀過程中，我逐漸認識到，大深度載人潛水器並非一個獨立的個體，它是一個龐大而復雜的係統，由無數個相互關聯的子係統構成。作者在介紹“多學科設計優化”時，就如同一個總指揮，將各個學科的專傢們召集在一起，讓他們在共同的目標下協同工作。我特彆欣賞書中關於“接口設計”的論述，它強調瞭不同子係統之間如何進行有效的通信和信息交換，以及如何確保它們之間的兼容性。比如，生命維持係統需要與能源係統進行協調，纔能保證氧氣和電力供應的穩定；通信係統需要與導航係統進行配閤，纔能準確地定位潛水器的位置。這種“全局觀”的設計理念，讓我對復雜的工程項目有瞭全新的認識。它不僅僅是把所有零件拼湊在一起，而是要構建一個高效、可靠、協同工作的整體。這本書讓我體會到瞭，偉大的工程成就，往往是無數個微小而精密的細節協同作用的結果。

評分☆☆☆☆☆

讀完這本書，我纔真正理解瞭“化繁為簡”的智慧，以及“用最小的代價實現最大的效益”的工程哲學。作者在講解“多學科設計優化”時，反復強調瞭“迭代優化”的重要性。他並不是一次性給齣最優解，而是通過不斷地嘗試、評估、改進，逐步逼近最優方案。這種“試錯”和“學習”的過程，讓我覺得非常真實和可貴。例如，在設計潛水器的推進係統時，可能需要考慮多種不同類型的推進器，每種推進器都有其獨特的優勢和劣勢。通過仿真分析，可以評估它們在不同工況下的性能錶現，然後選擇最適閤的方案，並在此基礎上進行進一步的優化。書中還提到瞭“敏感性分析”，用來找齣設計方案中最關鍵的參數，並將更多的精力集中在這些參數的優化上，從而提高效率。這種“抓住重點，各個擊破”的方法，讓我看到瞭工程設計的精妙之處，也讓我意識到，在解決復雜問題時，並非所有因素都同等重要。

評分☆☆☆☆☆

這本書不僅僅是關於潛水器設計的理論和技術，更是一種思維模式的啓迪。作者在介紹“多學科設計優化”時，就仿佛在構建一個思想的框架，讓我們能夠從全新的角度去審視復雜係統。我特彆喜歡書中關於“目標函數”和“約束條件”的闡述，它讓我明白，任何設計都需要明確的目標，並受到各種現實條件的約束。在潛水器設計中，目標可能是最大化下潛深度、最小化能耗、延長續航時間等，而約束則包括材料的強度、體積的限製、成本的預算等等。作者通過精妙的數學模型，將這些目標和約束條件進行量化，並通過優化算法來尋找最佳的解決方案。這種“將模糊的概念量化，將復雜的問題數學化”的方法，讓我看到瞭科學的力量，也讓我覺得，原來很多看似遙不可及的設計，都可以通過邏輯和數學來實現。