深海空间站是一种新概念的大型载人深潜装备,它为人类更好的探测和开发海洋提供了一个广阔的平台。深海空间站的结构系统主要由耐压壳、外部结构和轻外壳等组成,是深海空间站最重要的分系统。在传统的设计方法中,耐压壳、外部结构和轻外壳等子系统是单独进行设计的,并且往往侧重于耐压壳的性能分析和评估,忽视了外部结构和轻外壳的设计。而后两者对于深海空间站的总体性能同样具有重要的影响。耐压壳、外部结构和轻外壳的设计又是相互依赖和相互影响的。因此,对于深海空间的结构系统,必须将其作为一个整体来进行设计。但这也带来了一个涉及结构力学和水动力学等多个学科内容的复杂工程系统的设计问题。从航空航天领域发展起来的多学科设计优化为解决这一难题提供了一条有效的途径。本文作为国防科工委“十一五”重大基础研究专项的部分研究内容,对多学科设计优化在深海空间站结构系统设计中的应用进行了探索,利用本文提出的序列协同优化方法完成了结构系统的设计,重点对多学科设计优化方法、耐压壳结构设计和结构系统的协同优化进行了研究,主要完成了以下几个方面的内容:(1)对多学科设计优化进行了综述,详细介绍了多学科设计优化提出的背景、研究概况及研究的主要内容,并对多学科设计优化方法进行了重点描述。(2)详细介绍了协同优化方法的基本思想、框架结构、数学模型和灵敏度分析原理,对其优缺点进行了阐述,并分析了其产生计算困难的原因,同时还列举了几种常见的改进措施。通过对采用L1范数形式一致性约束的协同优化方法进行分析和改造,提出了序列协同优化方法(SCO)。其主要思想是,在系统级每一步迭代中对L1范数形式一致性约束进行改造,通过引入附加约束来去除一致性约束中的绝对值符号,消除了一致性约束的非光滑性,并有效的缩小了子系统优化问题的设计空间,大大降低了陷入局部最优解的概率。结合数值算例,本文将SCO与标准协同优化方法进行了比较。(3)对多学科设计优化中的近似技术进行了研究,分别对试验设计方法及响应面、径向基神经网络和Kriging等近似方法作了详细介绍。结合数值算例和加筋板屈曲问题,采用三种近似方法建立了相应的近似模型,并通过误差分析,对近似模型的性能进行评估和比较。(4)对多球交接耐压壳的结构优化问题进行了研究。详细介绍了多球交接耐压壳的结构形式和几何模型,利用非线性有限元方法和Kriging近似模型,并对其进行了结构优化。在对非线性有限元结果进行观察和分析的基础上,提出了多球交接耐压壳结构优化问题的简化计算公式,并针对不同材料进行了结构优化研究。此外,本文还对多球交接耐压壳的结构形式进行了推广,提出了几种新型的球壳交接方式。(5)将深海空间站结构系统的多学科设计优化划分为耐压壳、外部结构、轻外壳和性能四个子系统,分别对各子系统进行了详细的研究,建立了相应的子系统分析模型,明确了各子系统的输入输出,编制了相应的计算机程序。(6)建立了深海空间站结构系统的协同优化框架,对结构系统各组成部分的具体结构形状进行了介绍,利用序列协同优化方法和Kriging近似模型,对其进行了多学科设计优化,得到了优化结果。本文的主要创新点有:(1)首次将多学科设计优化方法应用于深海空间站结构系统的设计过程,建立了各子系统的数学模型并将其嵌入到协同优化的框架中,验证了多学科设计优化对于复杂深海结构物结构系统设计的适用性。(2)在对协同优化方法深入研究和分析的基础上,首次提出了序列协同优化方法。通过对L1范数形式一致性约束进行改造,有效降低了子系统级优化问题的求解难度,消除了一致性约束的非光滑性,在一定程度上提高了协同优化的性能。(3)通过对多球交接耐压壳的非线性有限元分析,指出多球交接耐压壳的两种典型破坏模式,并分析了造成破坏的原因。在此基础上,建立了多球交接耐压壳结构优化问题的简化公式。多学科设计优化是一门新兴的学科,而它在复杂深海结构物(包括深海空间站)结构系统设计中的应用才刚刚起步,其研究还有待深入,这主要包括:(1)本文虽然对序列协同优化方法进行了测试,但其理论分析还不够系统和全面,其收敛性能还有待于进一步的考察和证实。同时,对于L1范数形式一致性约束的其它方式的改造有可能会产生更好的效果,这也是今后研究工作一个思路。(2)由于对深海空间站总体设计的信息掌握较少,本文对外部结构子系统进行了大量的假设和简化,仅对吊放工况进行了分析。在将来的研究中,应当将深海空间结构系统的设计与总体设计结合起来,作为一个整体进行详细的多学科设计优化。(3)本文假设深海空间站的轻外壳具有水滴型回转体形状,并采用经验公式估算其水下运动阻力。在将来的研究中,可以采用CFD方法,对深海空间站的外部形状建立三维模型进行流场模拟。(4)本文仅对协同优化方法进行了系统研究,但CSSO和BLISS等多学科设计优化方法同样具有较高的发展潜力和应用价值。对于这几种多学科设计优化方法究竟哪一种更适合复杂深海结构物的结构系统设计,也有待于进一步深入的研究。(5)多学科设计优化的发展趋势是分布式和并行计算和设计,通过计算机网络,建立分布式、并行的MDO计算环境,将大型的分析软件集成在一起,对于复杂深海结构物的多学科设计优化设计将具有更重要的意义。