【论文推荐】| 考虑几何约束的多构件潜器布局优化研究

论文导读与观点概要

一、研究背景与目的

随着深海探测技术的发展，自治遥控潜水器（ARV）作为重要的水下作业平台，其水动力性能直接影响能源消耗与作业效率。虽然目前针对水下航行器的优化研究多集中于单一构件的形状优化，但对于由多个部件组成的全海深ARV而言，部件间的相对位置（即布局）对水动力性能的影响更为显著。本研究以全海深ARV为对象，旨在通过优化调整“前中体”相对于“中体”的位置，在满足结构强度几何约束的前提下，实现潜器静水直航总阻力的最小化，从而达到节能减阻的目的。

二、研究方法与技术路线

本研究采用基于数值模拟的优化策略，核心在于解决含几何约束的非规则设计空间采样难题。

三、主要研究结果

优化结果显示，通过调整前中体的相对位置，ARV的阻力性能获得了显著提升。

四、结论

以全海深ARV为研究对象，使用针对非规则设计空间的采样方法即改进的SCMC方法进行新样本获取，并采用黏流CFD评估结果建立Kriging模型，最终使用单目标优化算法GA对ARV在水下直航时的阻力性能进行布局优化，得到以下结论：

1）相较于传统潜器形状的改变，对于含多个构件的水下潜器而言，部分构件之间的相对位置的改变将会较大程度上影响水下潜器的阻力性能。

2）在对前中体和中体的相对位置进行几何约束后，优化结果表明，通过优化前中体相对于中体的位置，可以得到明显的阻力降低效果，总阻力降幅达到了13.14%，且主要降低了其压阻力。

3）改进的SCMC方法能够充分考虑到约束边界，可以对含约束的设计空间进行均匀采样，且可以进而构建高精度代理模型，避免了计算资源浪费，在含约束条件的船海结构物性能优化方面具有较大优势与潜力。

相关图表

本文引用格式：杨江浩, 魏德志, 姬小航, 等. 考虑几何约束的多构件潜器布局优化研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(3): 173-182.  (YANG Jianghao, WEI Dezhi, JI Xiaohang, et al. Research on layout optimization of multi-component submersible considering geometric constraints[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(3): 173-182.  (in Chinese)）

通信作者简介：刘鑫旺   

刘鑫旺，男，汉族，1995年1月生，黑龙江佳木斯人，工学博士，哈尔滨工程大学副教授，硕士生导师，中国造船工程学会会员、中国数学会会员、中国工业与应用数学学会会员、中国高等教育学会教育数学专业委员会会员、黑龙江省高层次人才，入选“黑龙江省青年科技人才托举工程”项目。科研方面，主持国家自然科学基金青年项目、国家外国专家引智项目、黑龙江省自然科学基金项目等。近5年，在领域顶级期刊发表与录用论文24篇，其中SCI论文17篇，重要学术会议上发表论文30余篇，申请国家发明专利9项（授权6项），登记软件著作权5项。担任教育部高层次人才青年项目通讯评审、《Scientific Reports》编委、《海洋工程》青年编委等。荣获国际海洋与极地工程师学会（ISOPE）学术奖、全国船舶与海洋工程CFD会议优秀青年学者论文奖、《舰船科学技术》期刊优秀审稿专家、中国知网《学术精要数据库》船舶与海洋工程学科TOP1%高论文引证标准化指数论文、上海市力学学会优秀力学学者等科研奖励。教学方面，主持中国高等教育学会“高等教育科学研究规划课题”重点项目、黑龙江省高等教育教学改革项目、黑龙江省高等教育学会“高等教育研究课题”项目等。荣获全国大学生数学竞赛国家级优秀指导教师、全国高校教师教学创新大赛黑龙江赛区三等奖、全国大学生数学竞赛黑龙江赛区优秀指导教师、“智慧树杯”课程思政示范案例教学大赛二等奖等教学奖励。

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