多学科设计优化理论及其在大深度载人潜水器设计中的应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

潘彬彬，崔维成 著

图书标签:

• 设计优化
• 多学科优化
• 深度载人潜水器
• 结构设计
• 系统工程
• 优化算法
• 工程设计
• 船舶与海洋工程
• 参数化设计
• 数值分析

出版社： 浙江科学技术出版社

ISBN：9787534179082

版次：1

商品编码：12351680

包装：精装

开本：16开

出版时间：2017-12-01

用纸：胶版纸

页数：209

字数：340000

正文语种：中文

内容简介

　　《多学科设计优化理论及其在大深度载人潜水器设计中的应用》是一本以大深度载人潜水器设计为背景介绍多学科设计优化理论和可靠性设计理论及其应用的专著。
　　《多学科设计优化理论及其在大深度载人潜水器设计中的应用》以“蛟龙”号深潜器项目为基础，分八章介绍了制造大深度载人潜水器需要的工程系统理论及其应用，对下潜深度达到“蛟龙”号，甚至是超过“蛟龙”号的潜水器设计具有重要的借鉴作用。

内页插图

目录

第1章 绪论
1．1 大型复杂工程系统设计问题概述
1．2 多学科设计优化研究概述
1．3 载人潜水器发展历史概述

第2章 多学科设计优化理论
2．1 多学科设计优化建模
2．2 多学科设计优化方法
2．3 多学科设计优化的关键技术
2．4 优化与可靠性
2．5 多学科设计优化算例

第3章 不确定性理论
3．1 古典概率论
3．2 模糊理论
3．3 凸集理论
3．4 区间理论
3．5 证据理论
3．6 广义概率论

第4章 系统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 模糊可靠度分析简介

第5章 基于可靠性的多学科设计优化
5．1 可靠性设计方法
5．2 基于可靠性的多学科设计优化方法

第6章 载人潜水器设计
6．1 载人潜水器的主要构成
6．2 载人潜水器的设计概述
6．3 载人潜水器的设计基础
6．4 载人潜水器设计的关键技术

第7章 多学科设计优化在载人潜水器设计中的应用
7．1 载人舱可靠性设计
7．2 载人潜水器总体设计优化

参考文献
符号和缩略词清单

前言/序言

　　随着地球上人口的急剧膨胀，陆上资源供应已趋极限，各国都把经济发展的重点转移到海洋。这是因为占地球总面积2/3以上的浩瀚大海里，蕴藏着极其丰富的海水化学资源、海底矿产资源、海洋动力资源和海洋生物资源等，人类将在21世纪全面步人海洋经济时代。海洋开发将形成如海洋油气工业、海洋化学工业、深海采矿业等一批新兴产业。为了更好地开发和利用海洋，必须及时建设我国的深海装备体系，以满足我国对深海矿产资源调查、深海综合调查研究、深海科学研究、海洋资源开发和海洋权益维护等需求。深海装备体系可以包括进行勘查和作业的各类潜水器，如载人潜水器（HOV）、遥控潜水器（ROV）、自治潜水器（AUV）及其复合形式（ARV或HROV）；搭载潜水器进行作业的水面支持母船；进行水下勘查和作业的通用或专用深海作业工具；进行海洋环境长期观测的海底观测站；在真实深海环境条件下能进行科学研究的深海实验室；可用于深海环境观测、科学试验、深海资源开发的大型深海T4作站等。其中，至少各一台的HOV、ROV和AUV以及相关的深海作业工具是深海运载体系的一个最基本的配备。这是因为此三类潜水器各有特点、功能互补，而且在有些情况下它们需要协同怍业，在意外情况下需要相互救援。如果只有单一的潜水器，其使用在功能上受到限制，在工作中存在“使用风险”，会大大地降低某一种潜水器的使用效能和效率。
　　我国从20世纪80年代开始对无人潜水器和载人潜水器开展研究，至2012年具有国际上作业型载人潜水器最大下潜深度的“蛟龙”号载人潜水器的研制成功，终于跻身国际深潜技术发达国家俱乐部，科技部在“十二五”期间立项支持了三台经济实用型的4500米级的ROV、AUV和HOV的研制，目的是消化吸收在“蛟龙”号研制过程中的引进技术，巩固技术基础。“十三五”期间，科技部将全面支持11000米级的全海深载人和无人潜水器的研制，使深海装备技术的发展进入一个黄金时期。
　　为了进一步加快我国载人深潜技术的发展速度，我从2013年3月起在上海海洋大学领导的大力支持下，在国内高校中成立了首个深渊科学与技术研究中心，2014年11月获批“上海深渊科学工程技术研究中心（筹）”，我们招聘技术团队研制由3台万米级着陆器、1台AUV/ROV复合型的无人潜水器和1台3人作业型的载人潜水器以及1条4800吨级的专用科学考察母船组成的深渊科学技术流动实验室，同时招聘一些海洋科学家专攻深渊科学，期望攀登载人深潜技术的高峰，为填补我国的深渊科学空白作出积极的贡献。我们与上海彩虹鱼海洋科技股份公司紧密合作，采用“民间资金+国家支持”的新模式，把整个项目命名为“彩虹鱼挑战深渊极限”。在上海地方政府和社会有识之士的大力支持下，目前整个项目进展顺利！

《多学科设计优化理论及其在大深度载人潜水器设计中的应用》 本书深入探讨了多学科设计优化（MDO）的理论基础，并将其前沿应用聚焦于极具挑战性的大深度载人潜水器（HOV）设计领域。随着人类探索海洋的脚步不断深入，对潜水器在极端深海环境中作业的能力提出了前所未有的要求。传统的设计方法往往难以有效协调结构、推进、生命支持、通信、水声学等多个相互关联但又相互制约的学科，导致设计效率低下，难以实现最优性能。 本书的开篇，将引领读者系统梳理MDO的核心理念。我们将从优化问题的基本框架入手，详细阐述多学科系统分析（MDA）在MDO中的关键作用，以及如何通过各类优化算法，如梯度法、遗传算法、模拟退火等，求解复杂的非线性优化问题。在此基础上，本书将深入剖析MDO的几种主要协同架构，包括联合优化（CO）、分层优化（TO）、独立性约束（IC）以及分块分解（BD）等，并分析它们在不同工程问题中的适用性和优劣势。读者将了解到，选择合适的MDO架构是高效进行系统优化的关键，而这一选择往往与问题的规模、学科间的耦合程度以及可用的计算资源密切相关。 接着，本书将视角转向大深度载人潜水器这一具体工程应用。我们将详细解析其复杂的设计需求，包括但不限于：在巨大的外部静水压力下保持结构完整性与安全性的耐压壳设计；在极端恶劣的水下环境中实现精准定位与高效推进的动力学与控制系统；保障乘员生命安全的生命支持系统；以及远距离、高带宽水下通信与水声探测技术。这些子系统之间的相互影响是巨大的：例如，减轻耐压壳的重量可以直接提升潜水器的有效载荷和续航能力，但可能会增加结构分析的复杂度；优化的推进系统设计不仅需要考虑能耗，还需要与潜水器在水下的机动性和稳定性紧密结合。 本书的核心贡献在于，将MDO理论与HOV设计的具体难题巧妙结合。我们将通过一系列详细的案例研究，展示如何运用MDO技术来解决HOV设计中的关键瓶颈。例如，在耐压壳设计方面，我们将探讨如何通过MDO框架，将材料选择、壳体形状、加强筋布局与结构强度、重量、制造成本等多个约束条件和目标函数耦合起来，实现结构最优设计。对于推进与控制系统，MDO可以帮助我们协同优化螺旋桨的尺寸与形状、电机功率、控制算法参数，以达到最高的能源效率和最优的操纵性能。生命支持系统中的氧气供给、二氧化碳去除、温度和湿度控制等环节，亦可通过MDO进行集成优化，确保在有限的空间和能源条件下，最大程度地保障乘员的舒适与安全。 此外，本书还将关注MDO在HOV设计中的一些新兴技术和挑战。我们将探讨如何将人工智能与机器学习技术融入MDO流程，以加速设计迭代，并从海量数据中发现更优的设计模式。同时，对于高风险的大深度潜水器设计，如何有效地进行不确定性分析和鲁棒性设计，也是本书着重讨论的议题。通过将MDO与风险评估模型相结合，我们可以为决策者提供更可靠的设计依据，降低潜在的事故风险。 本书的另一大亮点在于其理论深度与实践可操作性的平衡。在理论层面，我们力求严谨、系统，为读者构建坚实的MDO知识体系。在实践层面，我们通过详细的算法描述、清晰的流程图示以及丰富的工程案例，帮助读者理解如何将MDO方法应用于实际的潜水器设计项目，即使是复杂的、跨学科的难题，也能找到有效的解决路径。 总而言之，《多学科设计优化理论及其在大深度载人潜水器设计中的应用》不仅是一本关于MDO理论的专著，更是一部指导读者如何运用这一强大工具解决复杂工程问题的实用指南。它将为从事海洋工程、航空航天、汽车制造等相关领域的工程师、研究人员以及高等院校师生提供宝贵的参考价值，助力他们在大深度载人潜水器这一尖端领域取得新的突破。

评分☆☆☆☆☆

这本书带给我的惊喜，远不止于对潜水器设计的技术细节的了解，更在于它所展现出的那种严谨而又充满创新精神的研究态度。作者在论述“多学科设计优化”的理论基础时，并没有止步于理论的堆砌，而是深入浅出地分析了各种优化算法的优缺点，以及它们在大深度载人潜水器设计中可能遇到的挑战。我特别佩服书中对于“约束条件”的细致处理，比如，材料的最大许用应力、能源的供给能力、通信的带宽限制等等，这些现实存在的“天花板”，是如何被巧妙地纳入到优化模型中的。读到这里，我仿佛看到一位经验丰富的工程师，在精密计算每一个参数，权衡每一个得失，力求在重重限制下，设计出最接近完美的方案。书中提到的“参数化建模”和“仿真分析”等技术，虽然我不是这方面的专家，但通过作者的描述，我大致理解了它们是如何将抽象的设计概念转化为可视化的模型，并通过计算机模拟来验证设计的合理性。这种“理论指导实践，实践反哺理论”的研究模式，让我感受到了科学探索的魅力，也让我对工程技术的严谨性有了更深刻的认识。

评分☆☆☆☆☆

这本书不仅仅是关于潜水器设计的理论和技术，更是一种思维模式的启迪。作者在介绍“多学科设计优化”时，就仿佛在构建一个思想的框架，让我们能够从全新的角度去审视复杂系统。我特别喜欢书中关于“目标函数”和“约束条件”的阐述，它让我明白，任何设计都需要明确的目标，并受到各种现实条件的约束。在潜水器设计中，目标可能是最大化下潜深度、最小化能耗、延长续航时间等，而约束则包括材料的强度、体积的限制、成本的预算等等。作者通过精妙的数学模型，将这些目标和约束条件进行量化，并通过优化算法来寻找最佳的解决方案。这种“将模糊的概念量化，将复杂的问题数学化”的方法，让我看到了科学的力量，也让我觉得，原来很多看似遥不可及的设计，都可以通过逻辑和数学来实现。

评分☆☆☆☆☆

让我印象深刻的是，作者在书中并没有回避“不确定性”和“风险”。在大深度载人潜水器设计这样充满挑战的领域，任何一个小小的疏忽都可能导致灾难性的后果。书中详细探讨了如何通过“鲁棒性设计”来提高系统的可靠性，即使在面对外部环境的变化或内部组件的微小故障时，也能保持稳定运行。我尤其欣赏书中关于“失效模式与影响分析”（FMEA）的介绍，这是一种系统地识别潜在失效模式，并评估其可能造成的影响的方法。通过这种预判性的分析，工程师可以在设计阶段就采取相应的措施，来预防或减轻这些风险。例如，针对某个关键部件的潜在失效，可能会设计冗余备份系统，或者选择更可靠的材料。这种“未雨绸缪”的设计思路，让我对潜水器的安全性有了更深的信心，也让我体会到了工程师们的责任感和使命感。

评分☆☆☆☆☆

对于我这样一名业余爱好者来说，能够从这本书中获得如此详尽的知识，实在是太幸运了。我一直好奇，为什么有些潜水器能够承受如此巨大的压力，而有些则不行？书中对此进行了非常深入的剖析，它不仅仅从材料本身的强度来解释，更重要的是，它强调了结构设计的重要性。比如，球形或近似球形的耐压壳体，能够将外部压力均匀地分散到壳体表面，从而最大限度地提高强度。作者在这一部分，详细讲解了不同壳体结构的力学特性，以及它们在承受外部载荷时的形变规律。让我印象深刻的是，书中还提到了“减载设计”的概念，通过优化内部布局、减少不必要的内部应力集中点，也能有效地提高潜水器的承压能力。这种将力学原理与工程实践紧密结合的讲解方式，让我不仅“知其然”，更“知其所以然”。它不仅仅是一本关于潜水器设计的书，更是一本关于如何运用科学原理解决实际工程问题的教科书，其所蕴含的思维方式，能够迁移到我们生活的方方面面。

评分☆☆☆☆☆

总而言之，这本书是一本集理论深度、实践指导和思想启迪于一体的优秀读物。它以大深度载人潜水器设计为切入点，深入浅出地介绍了“多学科设计优化”这一前沿理论，并展示了其强大的应用潜力。作者的写作风格严谨而不失生动，案例分析详实而富有启发性。我从这本书中不仅了解了潜水器设计背后的科学原理和工程挑战，更重要的是，它教会了我一种系统性的、全局性的思考问题的方式。它让我认识到，面对复杂的工程问题，孤军奋战是远远不够的，只有整合多学科的智慧，进行精密的协同设计，才能最终实现最优化的解决方案。对于任何对工程技术、深海探索，或者仅仅是想提升解决复杂问题能力的朋友来说，这本书都绝对值得一读，它会为你打开一扇通往更广阔知识领域的大门。

评分☆☆☆☆☆

哇，这本《多学科设计优化理论及其在大深度载人潜水器设计中的应用》简直是给我打开了一扇新世界的大门！作为一名对深海探索充满无限好奇的普通读者，我一直对那些潜入万米深渊的潜水器充满了敬畏，它们究竟是如何在那样极端恶劣的环境下实现稳定运行，并承载着人类的探索使命？这本书，虽然名字听起来有点“硬核”，但它却用一种极其引人入胜的方式，将深奥的理论变得触手可及。我印象最深的是书中关于“多学科设计优化”的阐述，它不再是孤立地看待一个潜水器的某个部件，而是将流体力学、结构力学、材料科学、生命维持系统、通信系统等等所有关键技术都串联起来，形成一个相互影响、相互制约的整体。作者并没有直接给我一个现成的答案，而是教会我思考问题的维度，如何从整体出发，在各个学科领域之间找到最佳的平衡点。比如，为了追求更低的阻力，我们可能需要改变船体形状，但这又会对结构强度提出更高的要求，材料的选择也随之变得至关重要。这种“牵一发而动全身”的设计逻辑，在书中得到了淋漓尽致的体现，让我深刻理解了为何一个看似简单的潜水器，背后却凝聚了如此多的智慧和工程挑战。它让我意识到，真正的创新并非源于单点突破，而是源于对复杂系统之间相互作用的深刻洞察和精妙调控。

评分☆☆☆☆☆

这本书的价值，绝不仅仅局限于“大深度载人潜水器”这个特定的应用领域。它所阐述的“多学科设计优化”的理论和方法，具有极其广泛的通用性。我读到后面，甚至觉得书中很多关于系统集成、协同设计、风险管理等方面的思想，同样适用于航空航天、能源工程、智能交通等众多领域。作者在讲解过程中，会穿插一些其他工程领域的例子，来佐证其理论的普适性。这让我意识到，掌握了“多学科设计优化”的精髓，就相当于拥有了一把通往解决复杂工程问题万能钥匙。我甚至开始思考，在日常生活中，我们是否也能借鉴这种思维方式，来优化我们的学习计划、工作流程，甚至是生活方式？这本书所带来的启发，已经远远超出了它的字面含义，它正在改变我思考问题的方式。

评分☆☆☆☆☆

这本书最让我感到振奋的，是它所展现出来的“系统工程”的强大力量。在阅读过程中，我逐渐认识到，大深度载人潜水器并非一个独立的个体，它是一个庞大而复杂的系统，由无数个相互关联的子系统构成。作者在介绍“多学科设计优化”时，就如同一个总指挥，将各个学科的专家们召集在一起，让他们在共同的目标下协同工作。我特别欣赏书中关于“接口设计”的论述，它强调了不同子系统之间如何进行有效的通信和信息交换，以及如何确保它们之间的兼容性。比如，生命维持系统需要与能源系统进行协调，才能保证氧气和电力供应的稳定；通信系统需要与导航系统进行配合，才能准确地定位潜水器的位置。这种“全局观”的设计理念，让我对复杂的工程项目有了全新的认识。它不仅仅是把所有零件拼凑在一起，而是要构建一个高效、可靠、协同工作的整体。这本书让我体会到了，伟大的工程成就，往往是无数个微小而精密的细节协同作用的结果。

评分☆☆☆☆☆

读完这本书，我才真正理解了“化繁为简”的智慧，以及“用最小的代价实现最大的效益”的工程哲学。作者在讲解“多学科设计优化”时，反复强调了“迭代优化”的重要性。他并不是一次性给出最优解，而是通过不断地尝试、评估、改进，逐步逼近最优方案。这种“试错”和“学习”的过程，让我觉得非常真实和可贵。例如，在设计潜水器的推进系统时，可能需要考虑多种不同类型的推进器，每种推进器都有其独特的优势和劣势。通过仿真分析，可以评估它们在不同工况下的性能表现，然后选择最适合的方案，并在此基础上进行进一步的优化。书中还提到了“敏感性分析”，用来找出设计方案中最关键的参数，并将更多的精力集中在这些参数的优化上，从而提高效率。这种“抓住重点，各个击破”的方法，让我看到了工程设计的精妙之处，也让我意识到，在解决复杂问题时，并非所有因素都同等重要。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，一开始翻开这本书，我脑子里还是有点打鼓的，毕竟“多学科设计优化”听起来就像是那些高精尖的学术论文，担心会晦涩难懂，变成一本只适合专业人士的“工具书”。但读下去才发现，这完全是多虑了！作者的写作功底非常扎实，他巧妙地将那些复杂的理论概念，通过生动形象的比喻和贴近实际的案例，娓娓道来。就拿大深度载人潜水器来说，书中详细分析了不同设计方案可能带来的连锁反应，比如，为了应对巨大的水压，可能需要加厚壳体，但这又会增加潜水器的自重，从而影响其浮力和推进效率。作者通过大量的图表和详细的数据分析，让我能够清晰地看到这些相互关联性，仿佛亲身参与到了一场模拟的设计过程中。我尤其喜欢书中关于“优化目标”的探讨，它不仅仅是追求单一的性能指标，而是要综合考虑安全性、可靠性、经济性、可维护性等多个维度，并且在这些目标之间进行权衡和取舍。这种“面面俱到”的设计理念，在现实生活中也同样适用，无论是个人职业发展还是企业管理，都能从中获得启发。这本书让我明白，真正的智慧在于如何整合资源，如何在一个复杂的问题中找到多方共赢的解决方案。