应用基于MPI的混合粒子群算法的三维水翼优化设计(英文).pdf

三维水翼优化设计是船舶力学中的一个重要研究方向。水翼的设计直接关联到船舶的操控性能和推进效率。由于水翼工作在复杂流场中，其优化设计过程涉及多变量和多约束条件，是一个典型的非线性优化问题。粒子群优化（Particle Swarm Optimization, PSO）算法是一种基于群体智能的优化技术，因其简单、易实现、收敛速度快等特点被广泛应用在工程优化问题中。基于MPI的混合粒子群优化（Hybrid Particle Swarm Optimization, HPSO）算法是在PSO基础上，融合免疫理论和非线性减少惯性权重（Nonlinear Decreasing Inertia Weight, NDIW）策略，有效防止早熟收敛，保持全局与局部搜索能力的平衡，适用于解决复杂多维空间的优化问题。 文章提出了采用基于MPI的HPSO算法对三维水翼进行优化设计的方法。研究中，选择了水翼几何形状、攻角和展弦比作为设计变量，将预设的压力分布、升力系数和阻力系数作为设计约束或目标。通过将粒子群分为若干子群体，并采用基于消息传递接口（Message Passing Interface, MPI）的并行计算，以最小化计算时间。研究结果表明，基于MPI的HPSO算法是一种有效且实用的三维水翼优化设计工具，能够快速收敛且计算时间较少。 为了解决三维水翼优化设计问题，算法中采用了多阶段惩罚函数策略应对多约束和多变量的优化问题。HPSO算法的设计思路是将整个粒子群划分为若干子群体，并基于消息传递接口MPI进行并行计算，从而有效减少计算时间。这种并行化的策略可以极大地提升优化算法的效率，特别是在需要大量计算的工程设计领域。 进一步地，粒子群优化算法作为一种无导数的进化计算技术，已经显示出在连续或二进制空间中优化复杂数学问题的能力。它已经被成功应用于多个工程学科中的大规模问题，并且由于其基于群体的算法特性，易于并行化实现。PSO算法本身适用于解决复杂的非线性问题，其并行化实现对于提高计算效率具有重要意义。 文章详细介绍了基于MPI的HPSO算法的应用，强调了其在多变量和多约束优化问题中的优势。该算法结合了边界元方法（Boundary Element Method, BEM）和基于惩罚的策略，能够有效地对三维水翼进行性能计算和优化。同时，文章指出了HPSO算法在保持种群多样性方面的创新点，即采用了基于免疫理论的策略，以及在动态调整惯性权重方面的创新点，即采用非线性递减惯性权重策略NDIW，这对于避免早熟收敛、保持全局搜索和局部搜索能力的平衡至关重要。 文档中还提到了将HPSO算法应用于三维水翼优化设计时，如何选择合适的设计变量和约束条件，以及如何设定目标函数。在优化过程中，不仅需要考虑设计的最终性能指标，还要考虑设计变量之间可能存在的复杂相互作用和约束条件。基于这些因素，文章指出设计者需要综合考虑，并合理设置算法中的参数，以确保优化设计的有效性和可靠性。文章强调了HPSO算法在三维水翼优化设计中的应用效果，包括快速收敛性和较低的计算时间，显示了该方法在处理此类复杂优化问题时的强大能力。