检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：胡星志国防科学技术大学

学位级别：博士

随着空天领域的快速发展,对飞行器的稳健性和可靠性要求日益提高。飞行器设计通常涉及多个学科、多维变量和复杂费时的数学模型,且各学科模型中常存在多种不确定性传播影响,如何实现稳健、可靠的系统性能最优是当前迫切需要解决的问题... 详细信息

随着空天领域的快速发展,对飞行器的稳健性和可靠性要求日益提高。飞行器设计通常涉及多个学科、多维变量和复杂费时的数学模型,且各学科模型中常存在多种不确定性传播影响,如何实现稳健、可靠的系统性能最优是当前迫切需要解决的问题。不确定性设计优化(Uncertainty-Based Desgin Optimization,UBDO)方法研究不确定性影响下复杂系统的优化设计问题,对于提高飞行器设计水平具有重要意义。本文对UBDO面临的不确定性降维、不确定性传播、极限情况分析、不确定性优化等主要难点进行研究,形成了一套较为系统的UBDO方法,并以星箭分离机构设计、对地观测卫星总体设计、月球探测纳星总体设计为例,从部件级和总体级两个层面对UBDO的应用展开研究。1.在UBDO理论研究方面:(1)针对UBDO计算维度瓶颈问题,提出了面向随机不确定性和认知不确定性的广义活跃子空间(Generalized Active Subspaces,GAS)概念及相应降维方法,解决了区间表示的认知不确定性降维难题,对线性和非线性问题均可应用。考虑到GAS难以精确求解,给出了区间特征值分析、经验分布函数与泰勒展开三种近似实现方法,并通过测试算例验证了它们的适用性。(2)围绕复杂系统不确定性传播问题,给出了基于GAS降维-传播模型的混合不确定性分析,将多维输入化为单个或少数活跃变量近似的区间分析,以提高混合不确定性统一传播分析的精度和效率。提出了一套降维空间自适应响应面的构建方法,给出了一种基于活跃变量的区间响应面模型(AIRSM)及其构造方法,较好地避免了区间扩张问题、提高了边界拟合精度,同时定义了一种扩展的区间动态关联分析准则,实现了对AIRSM拟合精度的评价。(3)针对多维极限情况分析难题,提出了改进的降维贝叶斯推理方法,推导了基于后验分布表示的相应输入参数分布引起的输出响应,通过活跃子空间降维,使其只需在先验的活跃子空间进行传递,相比以往基于后验分布的降维方法,该方法具有更大的效率优势,计算复杂度大大降低。(4)为提升不确定性优化效果,在现有密度匹配优化基础上,研究了基于目标分布信息的匹配设计优化方法,推导了基于目标低阶矩信息、累积分布函数的两种密度匹配优化表达式,很好地拓展了该方法适用范围,对于混合不确定性情况、离散型与连续型目标情况均可应用。给出了基于GAS降维求解的一般流程,保证了高积分点数与高样本数要求,同时探讨了基于约束强度的动态罚函数及多目标优化算法来获得可靠的最优解,具有较好的计算效率与优化效果。2.在UBDO应用研究方面:(1)面向星箭分离机构设计需求,开展了UBDO方法部件级的应用研究。分析了小卫星星箭分离不确定性量化的必要性,建立了分离过程动力学模型与运动方程,综合考虑压簧装置、引力摄动、星体偏心等影响。结合工程实际,着重探讨了结构与力学不确定性因素的影响规律,发现分离角速度与最小相对距离均可降维分析。通过目标分布函数拟合,评估了不同控制能力卫星分离过程的故障率与可靠性,并结合地面模拟分离试验进行了验证。开展了基于UBDO的星箭分离机构优化设计,优化结果表明本文UBDO方法充分挖掘了分离机构设计潜力,在保证高可靠性的同时质量减轻约30.7%,体现出较好的应用效果。(2)面向对地观测卫星总体设计需求,开展了UBDO方法总体级的应用研究。建立了对地观测卫星概念设计阶段的总体设计学科模型,对该类卫星总体设计涉及的设计变量与系统参数不确定性进行了描述。应用本文UBDO方法,发现原23维不确定问题可以在一维活跃子空间高效传播,并具有较好的分析精度。分别从单目标与多目标两个层面进行不确定性优化:首先面向最小卫星质量进行了随机不确定性密度匹配优化;其次开展了包含卫星质量、成本和观测精度的不确定性多目标优化,分析了优化目标之间的相关性;最后进一步考虑混合不确定性影响的卫星总体设计,获得了满足实际可信性约束的最优方案。(3)面向月球探测纳星总体设计需求,开展了UBDO方法总体级的应用研究。建立了月球探测纳星概念设计阶段的总体设计学科模型,结合月球探测任务的特殊性,对多学科间的耦合关系进行了梳理。探讨了该12维不确定性问题存在的活跃子空间及其降维传播分析的精度。基于本文UBDO方法,以单位信息量成本和卫星质量为优化目标,其他可靠性与载荷精度指标作为约束,实现了随机与混合不确定性多目标优化,获得了更为可靠、稳健的Pareto最优解,通过多目标权衡与平行坐标分析,可以给设计者提供很好的优化方案参考。总之,本文针对UBDO理论的关键科学问题进行了深入的研究,形成了一套较为系统、普适的UBDO方法,较好地克服了现有UBDO计算成本高昂、分析精度受限、工程实现困难等瓶颈问题,并从部件级与总体级两个层面探讨了其在飞行器设计中的应用。取得的研究成果具有较好的理论与现实

关键词：飞行器不确定性设计优化混合不确定性降维活跃子空间不确定性传播分析密度匹配优化航天应用

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考虑区间不确定性下复杂系统建模与优化研究

考虑区间不确定性下复杂系统建模与优化研究

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作者：胡正国电子科技大学

学位级别：硕士

目前,传统的不确定性设计优化方法主要基于概率密度分布函数或模糊隶属度函数,需要采集大量的不确定性信息。然而,在实际工程中,不确定性信息采集往往难度较大,传统不确定性设计优化方法在部分装备和系统设计优化过程中有一定局限性。... 详细信息

目前,传统的不确定性设计优化方法主要基于概率密度分布函数或模糊隶属度函数,需要采集大量的不确定性信息。然而,在实际工程中,不确定性信息采集往往难度较大,传统不确定性设计优化方法在部分装备和系统设计优化过程中有一定局限性。为了更好满足实际工程需要,近年来,基于区间数的不确定性设计优化方法受到了国内外研究人员的重视。区间不确定性设计优化方法需要的信息量小,仅需获得区间的上下界即可构建优化模型。因此,开展基于区间数的不确定性设计优化方法对复杂系统和装备性能的提升有一定的工程意义。本文主要从区间不确定性下优化模型构建和求解方法、基于近似模型的区间不确定性设计优化方法以及区间多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization,MDO)方法三方面展开研究,主要研究内容如下:(1)研究了区间不确定性优化模型构建、不确定性分析和优化求解方法。考虑区间不确定性因素构建优化模型,结合区间可能度分析和区间序关系两种方法来转换不确定性优化模型,结合评价函数法和罚函数法处理不确定性分析后的优化模型,随后基于改进粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)的双层嵌套优化策略对处理后的优化模型进行求解,最后通过算例对算法进行了验证,为考虑区间不确定性的设计优化问题提供了新的研究思路。(2)研究了基于泰勒展开近似模型和Kriging近似模型的区间优化方法。基于泰勒展开的近似模型通过一阶或二阶泰勒展开将优化模型进行简化,提升了优化效率。基于加点Kriging的近似模型优化方法进一步提升了优化精度和计算效率。将两种近似求解方法运用于区间不确定性优化问题中,解决了复杂装备系统优化模型构建困难的问题,同时计算效率也得以提升。(3)研究了区间不确定性下基于协同优化(Collaborative Optimization,CO)解耦策略和加点Kriging近似模型的区间MDO求解方法。通过从区间MDO模型构建、学科关系解耦以及不确定性分析求解三方面出发,构建了基于Kriging近似模型在CO解耦框架下考虑区间不确定性的优化模型,同时提出了一种基于Kriging加点策略的区间MDO方法。最后通过数学算例和发动机活塞案例对算法进行了验证。

关键词：区间数不确定性设计优化近似模型多学科设计优化协同优化

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基于响应面的可靠性设计优化方法研究

基于响应面的可靠性设计优化方法研究

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作者：刘鑫华中科技大学

学位级别：博士

现代机电产品对质量水平的要求不断提高,而随着其结构的日趋复杂,在设计过程中所消耗的计算资源也随之增大。同时,由于知识缺乏、设计和制造缺陷以及环境干扰等影响,使不确定性因素广泛存在于产品的设计和制造过程中。各种不确定性因素... 详细信息

现代机电产品对质量水平的要求不断提高,而随着其结构的日趋复杂,在设计过程中所消耗的计算资源也随之增大。同时,由于知识缺乏、设计和制造缺陷以及环境干扰等影响,使不确定性因素广泛存在于产品的设计和制造过程中。各种不确定性因素影响给产品核心性能指标带来偏差,严重时甚至导致故障和失效,给产品的可靠性带来极大的威胁。为了应对挑战,基于不确定性的设计(Uncertainty-based design)得到了迅速的发展,相关不确定性方法,包括不确定性量化、不确定性分析、以及基于不确定性优化算法等,取得丰富的研究成果,形成了可靠性设计优化(Reliability-based design optimization,RBDO)方法体系。但是针对含有高度非线性及黑箱约束函数的可靠性设计优化问题,目前研究方法存在求解效率低下,陷入局部最优,甚至无法获得最优解等不足。因此本文为了解决当前存在的困难,系统研究基于响应面的可靠性设计优化方法,具体内容包括以下几个方面:1)基于自适应局部搜索区域采样法的RBDO方法。当问题中含有复杂非线性及黑箱约束函数时,构建全局精确的响应面模型会导致大量的昂贵估值。为应对这一困难,该方法将RBDO过程分为粗糙搜索和精细搜索两个阶段:粗糙搜索阶段,在更新响应面的同时确定包含可靠性设计最优解的局部区域;在精细搜索阶段,在已构建的局部区域内进行Kriging模型的改善,并计算RBDO最优设计点。快速找到包含最优解且能够自动更新的局部区域,可以避免对结果影响较小的其他无关区域的采样和昂贵估值,从而节省计算开销。2)基于自适应Kriging近似模型的RBDO方法。当RBDO问题中含有复杂非线性及黑箱约束函数时,会降低问题求解效率,甚至导致设计空间中存在局部最优。为了能够节省昂贵估值的采样数,提高RBDO问题的求解效率,并避免局部最优,该方法在RBDO过程中建立两个新的采样准则:第一个采样准则旨在更新响应面的同时引导优化向全局最优的方向进展;第二个采样准则通过在对优化结果精度影响最大的局部区域内添加采样点,更新Kriging响应面,从而避免在其他无关区域的采样和昂贵估值,以提高RBDO问题的求解效率。3)基于支持向量配对夹持法的双模型RBDO方法。在RBDO问题求解过程中需要基于响应面进行大量的估值计算。采用Kriging模型估值需要基于构建响应面的所有采样点,因此当问题的维度升高时其估值时间也随之增长,影响RBDO问题的求解效率。该方法基于精确的Kriging模型,提出自适应支持向量配对夹持法构建SVM模型做模型近似,旨在保持精度的基础上节省估值时间。4)面向混合不确定性的RBDO方法。当RBDO问题中设计变量和模型参数同时含有不确定性时,会给可靠度评估带来困难。该方法通过运用Johnson分布构建混合不确定性的统一量化表达形式,并基于应力强度干涉模型提出一种面向混合不确定性的可靠度指标计算方法,采用联合概率积分法计算设计点在混合不确定性影响下的可靠度,并在此基础上构建基于Kriging模型的混合不确定性RBDO流程。最后,对本文的主要研究成果和创新点进行了总结,对基于响应面的可靠性设计优化方法下一步研究内容和发展方向进行了探讨。总的来说,本文面向当前基于响应面的可靠性设计优化方法中存在的不足,综合应用Kriging模型和SVM模型,生成自适应的采样及建模方法,努力提高含有复杂非线性及黑箱约束函数时可靠性设计优化问题的求解效率,节省基于响应面模型的估值时间,提出设计变量和模型参数同时含有不确定性时的混合不确定性可靠度指标计算方法,并为构建相应的RBDO流程提供具体问题的解决方案。本文的研究形成了一系列工具和方法,为完善基于响应面的可靠性设计优化方法提供了丰富的内容。

关键词：不确定性设计优化可靠性设计优化响应面自适应采样 Kriging模型支持向量机混合不确定性

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基于代理模型验证的混合不确定性优化方法及其在空间绳系设计中的应用

基于代理模型验证的混合不确定性优化方法及其在空间绳系设计中的...

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作者：赵涛电子科技大学

学位级别：硕士

不确定性优化设计方法对于提高产品的设计质量至关重要。随着对不确定性优化方法研究的不断深入,对于只包含随机不确定性的情况,基于概率的可靠性设计优化方法已日趋成熟;对于包含由知识不足、信息模糊、数据不完备等原因引起的认知不... 详细信息

不确定性优化设计方法对于提高产品的设计质量至关重要。随着对不确定性优化方法研究的不断深入,对于只包含随机不确定性的情况,基于概率的可靠性设计优化方法已日趋成熟;对于包含由知识不足、信息模糊、数据不完备等原因引起的认知不确定性的情况,基于可能性的可靠性设计优化已发挥了一定作用。但对于同时包含随机和认知不确定性的情况,目前还没有一套完整的可靠性设计优化方法体系。针对上述情况,为适应目前结构设计优化中的模型通用性低、计算复杂性高以及计算工作量大等现实问题,本文以可展开空间绳系的设计优化为主要工程背景,结合代理模型验证和设计优化方法,旨在研究能够处理混合不确定性情况下的设计优化方法,为空间绳系的设计提供一定的技术支持。本文的主要研究内容如下:(1)在可展开空间绳系的工作原理及结构特点的基础上,分析系统中包含的随机和认知不确定性因素,从系统载荷,系统参数和系统模型入手,开展对可展开空间绳系不确定性设计优化的研究。本文的重点是研究能够处理同时包含随机和认知不确定性的混合变量设计优化(Mixed Variable Design Optimization,MVDO)模型,并提出基于顺序优化与可靠性评估(Sequential Optimization and Reliability Assessment,SORA)方法的MVDO模型求解方法和流程。(2)对于优化模型中的非线性隐式函数的问题,利用BP神经网络对隐式未知函数的逼近功能,结合试验设计、有限元方法,建立可展开机构的强度神经网络的高精度全局代理模型。并以代理模型的误差为不确定性变量,提出验证代理模型精度的假设检验方法。在前面基础上,构建可展开机构的混合不确定性设计优化模型,并获得具有一定工程参考价值的优化设计结果,验证本文所提方法的有效性。

关键词：混合不确定性不确定性设计优化高精度代理模型模型验证空间绳系可展开机构

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不确定性设计优化理论与方法研究

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机械设计 2007年第9期24卷 1-4,25页

作者：李晓斌向杨蕊金振中邹汝平张为华中国人民解放军92493部队博士后科研工作站中国人民解放军92941部队93分队国防科技大学

系统地开展了不确定性设计优化理论与方法研究,定义了设计不确定性、设计稳健性和设计可靠性等概念,阐述了不确定性设计优化理论体系框架,建立了不确定性设计优化模型,提出了解决不确定性设计优化建模、求解和计算复杂性问题的有效途径。

关键词：不确定性设计优化不确定性分析模型不确定性设计可靠性设计稳健性近似方法

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基于加速收敛BLISS的不确定性多学科设计优化

基于加速收敛BLISS的不确定性多学科设计优化

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第六届中国不确定系统年会

作者：蔡伟陈小前姚雯国防科技大学航天与材料工程学院

针对标准 BLISS 2000算法迭代次数多、计算量大的缺点,提出了动态加密策略和探测加速策略两种改进措施,提高算法收敛速度,并能寻到不劣于原有算法的优化解。在此基础上,集成不确定性设计优化方法,形成了基于加速收敛 BLISS 的不确定性... 详细信息

针对标准 BLISS 2000算法迭代次数多、计算量大的缺点,提出了动态加密策略和探测加速策略两种改进措施,提高算法收敛速度,并能寻到不劣于原有算法的优化解。在此基础上,集成不确定性设计优化方法,形成了基于加速收敛 BLISS 的不确定性多学科设计优化方法。最后,利用文中提出的方法对一减速器进行了不确定性设计优化,设计结果表明了本方法的有效性。

关键词：不确定性设计优化多学科设计优化 BLISS 算法

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不确定性多目标MDO理论及其在飞行器总体设计中的应用研究

不确定性多目标MDO理论及其在飞行器总体设计中的应用研究

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作者：蔡伟国防科学技术大学

学位级别：硕士

飞行器总体设计属于典型的复杂系统多目标多学科优化问题,同时飞行器总体设计过程中往往存在许多不确定性因素。论文从提高飞行器总体设计水平出发,对不确定性多目标多学科设计优化(Uncrtainty Multi-Objective Multidisciplinary Desig... 详细信息

飞行器总体设计属于典型的复杂系统多目标多学科优化问题,同时飞行器总体设计过程中往往存在许多不确定性因素。论文从提高飞行器总体设计水平出发,对不确定性多目标多学科设计优化(Uncrtainty Multi-Objective Multidisciplinary Design Optimization, UMOMDO)的理论及应用进行了系统研究,重点研究了设计空间搜索策略和MDO优化过程两项关键技术,并通过构建多学科集成设计优化系统为飞行器总体设计提供较好的辅助工具。在理论研究方面: 首先,对不确定性多目标MDO理论基础进行研究。研究了多目标优化理论以及不确定性设计优化理论,为不确定性多目标MDO的提出奠定了理论基础。然后,研究了设计空间搜索策略。提出了一种新型的智能优化算法——植物生长算法(Plant Growth Optimization, PGO),通过算例测试分析表明,PGO是一种有效的设计空间搜索策略。在此基础上,采用基于Pareto的适应度分配策略以及适应度共享技术来逼近优化问题的Pareto前沿,提出了多目标植物生长算法(Multi-Objective Plant Growth Optimization, MOPGO),通过算例测试表明:多目标植物生长算法能够搜索到分布性较好、精度较高的非支配解集;针对传统混合智能算法计算量大、收敛速度慢的缺点,结合神经网络和序贯近似建模技术提出了不确定性混合植物生长算法(Uncertainty Hybrid Plant Growth Optimization, UHPGO),桁架结构不确定性优化算例结果表明:不确定性混合植物生长算法能在不降低解精度的前提下减少计算量。最后,研究了MDO优化过程。针对经典的多级MDO优化过程BLISS 2000(Bi-Level Integrated System Synthesis 2000)迭代次数多计算量大的缺点,提出了动态加密策略和探测加速策略两种改进措施,提高算法收敛速度和精确度。在此基础上,针对多目标优化问题求解的两种有效方法,将多个子目标分配到相应的子学科优化中,提出了基于Pareto的多目标BLISS优化过程以及基于期望目标的多目标BLISS优化过程。同时,在BLISS优化过程中考虑不确定性因素,集成不确定性设计优化方法,提出了不确定性BLISS优化过程,并将UHPGO嵌入到优化过程中,提高不确定性优化效率。在应用研究方面: 首先,以某型号战斗机为对象,建立了其总体设计学科模型及不确定性多目标优化模型。针对概念设计阶段信息少、需要通过多目标优化提供问题Pareto最优集的特点,考虑优化过程中的不确定性因素,提出了基于Pareto的不确定性多目标BLISS优化过程(Uncertainty Multi-Objective Pareto Bi-Level Integrated SystemSynthesis, UMOPBLISS)。采用UMOPBLISS对飞机总体不确定性多目标设计优化问题进行集成实现与优化求解,结果较好地体现了UMOPBLISS的优越性,提高概念设计阶段设计的自由度,为进一步的设计奠定了较好的基础。针对优化指标提出期望目标的实际情况,同时充分考虑设计中的不确定性因素,提出了基于期望目标的不确定性多目标BLISS优化过程(Uncertainty Expected Goal based Multi-Objective Bi-Level Pareto Integrated System Synthesis, UEGMOBLISS)。采用UEGMOBLISS对飞机总体不确定性多目标设计优化问题进行集成实现和优化求解,结果较好的验证了UEGMOBLISS的可行性和有效性。最后,建立了多学科集成设计优化系统,为MDO设计方法在飞行器总体设计中实现提供了较好的平台工具。并在飞机总体概念设计多学科设计优化应用实例的基础上,开发了飞机概念设计多学科集成设计优化平台。论文初步形成了不确定性多目标MDO方法,拓展了MDO理论研究体系。并将其应用在飞机总体方案设计中,为探索不确定性多目标MDO在工程实际中的应用进行了有益的尝试,为提高飞行器总体设计水平奠定了良好的基础。

关键词：不确定性多目标MDO 多目标优化不确定性设计优化智能优化算法 MDO优化过程飞机总体设计多学科集成设计优化系统

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