考虑对接角度变化的旋转对接裙结构多目标优化研究

本研究针对潜水器旋转对接裙结构在变角度工况下的承载性能与轻量化需求，通过材料测试、数值模拟和比例模型试验，建立了考虑γ和θ角度变化的多目标优化模型，采用NSGA-II算法获得Pcr提升12%、重量降低18%的Pareto解集，为可重构压力舱设计提供新范式。

　　

在深海装备领域，潜水器与水下平台的可靠对接是保障海洋资源开发的关键技术。传统旋转对接裙结构存在两大痛点：一是对接角度θ动态变化时结构安全性评估不足，二是轻量化设计与承载性能难以兼顾。现有研究多将θ设为固定值，导致实际作业中可能出现应力集中或失稳风险，而针对这类可重构压力结构的优化方法仍属空白。

哈尔滨工程大学船舶工程学院的研究团队在《Applied Surface Science Advances》发表的最新研究中，创新性地建立了考虑θ和倾斜角γ动态变化的旋转对接裙多目标优化体系。该研究首先通过高强铝合金拉伸试验获取真实应力-应变曲线，构建了考虑材料非线性的本构模型；随后采用20mm网格的有限元模型，结合比例模型水压试验验证了数值方法的准确性——试验值与模拟值的P_cr误差小于3.5%。

研究团队运用三大关键技术：最优拉丁超立方采样获取100组设计变量样本，通过kriging模型建立P_cr和应力响应的代理模型（R²>0.91），采用改进第二代非支配排序遗传算法(NSGA-II)进行多目标优化。结果显示厚度参数t₂对结构性能影响最大（贡献度达37%），而对接角度θ对σ_obl等应力指标影响有限，这颠覆了传统设计中过度关注θ的认知误区。

具体研究结果包括：

1. 结构分析方法验证：通过0°、180°、270°三种θ角度的1:10比例模型试验，证实非线性屈曲分析中弧长法（arc-length method）的准确性，临界压力预测误差仅1.17%-3.46%。

2. 参数敏感性分析：t₂每增加1mm可使P_cr提升8.2%，但导致σ_max增加15MPa；γ角增大能有效降低σ_top但会牺牲7%的P_cr。

3. 多目标优化结果：获得的Pareto解集显示，最优方案可实现P_cr提升22%、质量减轻24%，同时满足σ_max<295MPa的强度约束。

这项研究的突破性在于首次建立了考虑动态角度变化的压力结构优化框架，提出的"轻量化-承载能力-操作范围"多目标协同优化策略，不仅适用于潜水器对接装置，还可推广至深海空间站等可重构压力舱设计。研究采用的kriging-NSGA-II联合优化方法，相比传统单目标优化效率提升40%，为复杂海洋装备的结构设计提供了新范式。

值得注意的是，该团队发现的"倾斜角γ对σ_top负相关"现象，为后续研究指明了方向。正如讨论部分指出，未来可结合数字孪生技术实现对接过程的实时应力监控，这将进一步推动智能型旋转对接裙的工程应用。这项成果标志着我国在深海装备结构优化领域取得重要进展，为万米级载人潜水器等重大装备研发提供了关键技术支撑。