基于蚁群算法的直升机舰面系留索预紧力优化
2016-09-26胡国才
吴 靖 胡国才
1(海军航空工程学院研究生管理大队 山东 烟台 264001)2(海军航空工程学院飞行器工程系 山东 烟台 264001)
基于蚁群算法的直升机舰面系留索预紧力优化
吴靖1胡国才2
1(海军航空工程学院研究生管理大队山东 烟台 264001)2(海军航空工程学院飞行器工程系山东 烟台 264001)
根据直升机在舰面系留时的受力情况,提出一种以直升机6个刚体位移为变量的系留载荷计算方法。针对系留索预紧力优化属于多变量连续空间优化这一特点,采用嵌入确定性搜索的连续域蚁群算法对系留索预紧力进行优化,并在算法中加入MMAS策略,防止算法过早陷入局部最优解。结果表明,该蚁群算法经过二十多步迭代后能够使目标值稳定地收敛,较好地解决了直升机系留索预紧力优化问题。最后,对某型直升机无预紧力和预紧力优化后的系留载荷进行对比分析,无预紧力时多条索具持续松弛未起到系留作用,而预紧力优化后系留索最大张力降低了35.02%,且索具张力分布更均匀。
直升机系留预紧力蚁群算法优化
0 引 言
由于舰船的运动,直升机在甲板或机库停放时会产生移动、翻转等不稳定现象。特别是在高海情下,可能导致机体受损,为了保证直升机停放的安全,必须要有可靠的系留索具将其固定于甲板或机库。海情不同或停放位置不同,舰载直升机的系留方案也不同,最好的系留方案必须使系留索和机体系留点产生的载荷最小,这样才能增加直升机的结构强度延长直升机的使用寿命。
确定系留方案前提是要有准确的系留载荷计算模型,孙淑苓等[1]运用矩阵力法和位移法对系留载荷进行了计算;李进军等[2]采用能量法对系留载荷进行计算,并采用筛选法和逐步调整的试算法对甲板系留点位置进行了优化;金海波等[3]对考虑轮胎变形的系留计算模型进行了研究,表明轮胎的压缩变形会使系留载荷增加;李书等[4]采用遗传算法对甲板系留点位置进行了优化;吴靖等[5]以起落架垂向变形为变量,基于虚功原理提出了系留载荷计算方法;金仲林[6]也利用遗传算法对甲板系留点进行了优化,而王丹[7]则采用ANSYS的优化功能对甲板系留点位置和系留索预紧力进行了优化。
系留索预紧力优化属于多变量连续空间优化问题,而基本蚁群算法优良高效的全局优化性能只能适用于离散的组合优化问题。最早使用蚁群算法对连续空间进行优化的是Bilchev和Parmee[8]采用遗传算法进行全局搜索,然后利用蚁群算法进行局部优化,但该算法在运行时会出现重复搜索同一区域的现象;Dreo等[9]提出了一种基于密集非递阶的连续交互式蚁群算法;段海滨等[10]提出了一种将连续空间离散化的改进蚁群算法;赵星乔[11]在连续域蚁群算法中加入自适应策略用以提高算法性能;高芳等[12]引入了进化算法中的变异操作,对寻优过程中每次迭代的最优解进行变异,增加了种群的多样性;黄敏等[13]针对各子区间内的总信息量及应有的蚁数的求解方式进行改进,引入一个随迭代次数增加而变化的函数,以提高改进后蚁群算法的收敛速度;刘文[14]通过对解空间定向式挖掘来实现全局快速搜索。本文采用文献[15]提出的嵌入确定性搜索的连续域蚁群算法对系留索预紧力进行优化,一方面为了提高搜索效率,加入了文献[11]提出的采用两只蚂蚁从两个极点同时搜索的策略,另一方面为防止算法过早陷入局部最优解,加入了文献[16]提出的MMAS策略。
1 直升机舰面系留载荷计算
1.1外力计算
舰船坐标系如图1所示,原点oS位于舰船摇摆中心,xS轴指向舰尾,yS轴指向右舷,zS轴垂直向上,惯性坐标系与静止时的舰船坐标系重合,但不随舰运动。
图1 舰船坐标系
机体坐标系如图2所示,原点oH位于机体纵剖面、舰面和机头垂直切面的交点,xH轴指向机尾,yH轴指向机体右侧,zH轴垂直向上。
图2 机体坐标系
重力在惯性坐标系下为G=[00-mg],作用在机体重心。直升机所受风载Q=[QxQyQz]作用于形心,风载计算公式为:
(1)
式中,V为风速(相对舰船),S为受风有效面积。
舰船的主要运动为横摇和纵摇,且在工程应用上一般看成是简谐运动,假设舰船横摇角为φ,纵摇角为ϑ。惯性坐标到舰船坐标变换矩阵为:
(2)
重力和风载在舰船坐标系下表示为:
(3)
直升机停机位的舰船坐标为(xSp,ySp,zSp),惯性加速度在舰船坐标下表示为:
(4)
惯性力表示为IS=[-maSx-maSy-maSz]。机体xH轴与舰船xS轴夹角为α,舰船坐标到机体坐标变换矩阵为:
(5)
重力、风载和惯性力在机体坐标系下表示为:
(6)
1.2约束力计算
假设直升机在外载作用下相对于舰船的6个刚体位移为u、v、w、φ、θ、ψ。则机体任意点的位移可表示为:
(7)
式中,XH0为机体任意点在机体坐标中的初始值。
(8)
直升机在舰面系留受到的约束力由系留索和起落架提供,在机体坐标系下均可表示为:
fH=fH0+K等效s
(9)
式中,fH0为初始约束力,K等效为系留索或起落架的等效刚度。
根据达朗贝尔原理可列外力和约束力的平衡方程:
(10)
由上述方程可解出直升机的6个刚体位移u、v、w、φ、θ、ψ,从而可计算出系留索和起落架的载荷。
2 基于蚁群算法的系留索预紧力优化
设优化函数为minZ=f(X),在系留索预紧力优化问题中Z代表系留索最大张力Tmax,X代表预紧力T0。
系留索预紧力优化属于多变量连续空间优化问题。本文采用嵌入确定性搜索的连续域蚁群算法[15],为避免算法过早陷入局部最优解,将各只蚂蚁所带信息素控制在[τmin,τmax]。具体思路如下:
(11)
(12)