基于计算试验设计与代理模型的飞行器近似优化策略探讨

现代飞行器设计优化中广泛应用高精度分析模型以提高设计可信度与综合性能,但是也带来了计算复杂性问题。为了有效缓解计算耗时的问题,基于计算试验设计与代理模型的飞行器近似优化策略成为研究热点。近似优化策略通过构造合理的近似模型引导优化过程快速收敛到最优解,从而达到降低计算成本,缩短设计周期的目的。根据广泛的文献调研,对飞行器近似优化策略的发展现状进行详细探讨。给出近似优化策略的定义、求解流程、特点以及关键技术。对计算试验设计方法、代理模型方法、精度校验与代理模型选择方法等技术进行综述。围绕静态与自适应两类近似优化策略,重点讨论典型的代理模型管理与更新策略与收敛准则。针对飞行器多学科设计优化问题,探讨近似优化策略与分解策略在求解效率与收敛性方面的技术特点。通过数值算例对各项关键技术的特点进行较详尽的对比分析与总结,并依托飞行器设计优化工程实例对近似优化策略的综合性能进行探讨,指出不同近似优化策略的适用范围。研究结果表明,飞行器近似优化策略在优化效率、全局收敛性以及鲁棒性等方面体现出较显著的优势,具有良好的工程应用前景。指出飞行器近似优化策略的未来研究方向。     

基于代理模型的水下滑翔机机翼设计优化方法

在复杂工程系统的概念设计优化中,高精度数值分析方法得到广泛应用,将高精度数值分析与优化方法有机结合,对设计空间展开全面搜索与寻优,已经成为现代设计优化方法的重要发展方向。以水下滑翔机的概念设计为研究对象,引入代理模型,控制高精度分析试验的数量,有效地化解精度与效率之间的矛盾。将参数化几何建模、网格划分以及流体数值模拟分析集成为自动分析流程,并以此为基础采用试验设计理论,构建代理模型,解决水下滑翔机机翼的多目标设计优化问题。给出基于代理模型的设计优化过程,并系统地比较几种试验设计方法的适应性,重点讨论多项式响应面和径向基函数代理模型,所得代理模型相对误差小于2%。采用梯度寻优方法与遗传算法在给定设计空间内进行全面搜索,获得机翼的最佳平 面构形,水下滑翔机的升阻比提高6.76%,俯仰力矩的绝对值由0.276 0 N•m降低为0.001 5 N•m,提高水下滑翔机的运动性能。     

基于Kriging代理模型的结构形状优化方法

任何机械零件都是由结构尺寸和形状构成.通过常规设计手段,一般确定零件的整体结构尺寸,但大量局部的尺寸决定了零件形状.而零件的失效往往与零件形状是否合理密切相关.形状优化技术一般以有限元技术为基础,通过边界的迭代过程获得形状优化.文中结合试验设计技术和近似代理技术,利用少量样本点建立高精度分析模型,代替原有零件模型,在代理模型上寻找符合约束条件的结构参数,从而获得零件的形状优化.首先阐述了该优化方法的设计思想和理论基础,最后以六角钢盘的结构优化为例说明了该方法的具体应用过程.     

基于产品装配模型和多代理的产品设计

提出了一种基于装配模型和多代理（Ｍｕｌｔｉ－Ａｇｅｎｔ）的产品协同设计模式,通过产品装配模型记录产品设计意图,支持设计过程的快速重演,同时产品的几何模型和装配模型向各代理提供所需的一些原始信息,多代理系统则完成对产品零部件的强度验算、刚度验算、加工工艺评定等方面的工作。这样,可以实现产品的几何建模系统、装配建模系统与多代理系统的集成,支持产品在异构分布症的协同设计。     

一种基于Sugeno模糊模型的测量数据处理方法

本文提出一种基于Sugeno模糊模型的、针对测量时间受限条件下测量数据处理的模糊决策方法。该方法利用概率理论和模糊逻辑,分析处理多个中间测量结果中存在的不确定因素,并对这些结果进行有效融合。在动态称重系统中的应用结果表明,该方法使系统测量精度有所提高。     

基于动态径向基函数代理模型的优化策略

针对飞行器多学科设计优化中传统的静态代理模型方法全局近似精度难以保证与计算效率较低的问题,提出一种基于动态径向基函数代理模型的优化策略.通过Maximin拉丁超方计算试验设计在设计空间中选择初始样本点,构造径向基函数代理模型,并通过全局优化算法对当前代理模型进行优化获得原优化问题的可能最优解,根据已知信息构造重点采样空间,在优化过程中逐步更新重点采样空间并在其内部增加样本点,并更新代理模型以提高代理模型在全局最优解附近的近似精度,直至优化迭代收敛.将本优化策略应用于数学测试算例和NASA减速器优化设计中,优化结果表明,使用本优化策略可以获得分析模型的全局最优解.与直接使用遗传算法相比,计算分析模型的次数减少了95%,相比于传统的静态径向基函数代理模型方法,计算分析模型的次数减少了50%.     

气囊缓冲飞行器模型着陆特性的试验研究

实验研究了两种飞行器模型的着陆特性.模型着陆应用气囊系统衰减着陆冲击载荷.实验模拟着陆的垂直速度为2～6m/sec,水平速度0～4m/sec,着陆姿态范围-19.5°～+19.5°,测定了飞行器模型的加速度和稳定性.结果表明,峰值加速度随垂直着陆速度的增加而增加,且舱体模型的加速度高于弹体模型的加速度,着陆姿态和水平速度对稳定性有显著的影响.     

基于Kriging模型的自适应多阶段并行代理优化算法

为了充分利用计算资源,减少迭代次数,提出一种可以批量加点的代理优化算法.该算法分别采用期望改进准则和WB2(Watson and Barnes)准则探索存在的最优解并开发已存在最优解的区域,利用可行性概率和多目标优化框架刻画约束边界.在探索和开发阶段,设计了两种对应的多点填充算法,并根据新样本点和已知样本点的距离关系,设计了两个阶段的自适应切换策略.通过3个不同类型算例和一个工程实例验证算法性能,结果表明,该算法收敛更快,其结果具有较好的精确性和稳健性.     

基于曲面变形技术的数据融合方法研究

逆向工程中单一的数据测量方法要么存在测量效率低,要么存在测量精度差等缺陷,其数据测量方法越来越难以满足高效率和高精度的逆向建模要求,因此对多种测量数据进行融合的逆向工程CAD方法已受到研究者的重视。论述了基于能量优化法的曲面变形原理,利用ThinkDesign软件的曲面变形功能特点,结合逆向工程中的接触式和非接触式测量设备的测量数据,提出了基于曲面变形技术的测量数据融合方法,并给出了实例。最后通过Geomagic Qualify软件验证表明此数据融合方法是有效的。     

基于Kriging模型的迭代重要抽样方法研究及应用

针对工程结构失效概率求解的复杂性,本文提出了一种高效求解失效概率的基于Kriging代理模型的迭代重要抽样方法。该方法以均值为抽样中心在变量空间中均匀产生初始训练点的实验设计,构建代理模型并形成迭代求解格式,可极大降低失效概率计算成本,并提高计算精度。通过三个数值算例的计算验证表明,采用文中所论述的方法仅需数百次真实函数的调用即可得到结构失效概率的合理估计值,相较于传统的蒙特卡洛法可节省大量的计算成本。     

试验数据处理及试验在线监测的灰色模型与方法

本文在分析试验数据处理的现状后,提出了试验数据处理及试验在线监测的灰色模型与方法。这种方法弥补了现有数据处理及其在线监测方法的不足。实例表明。该方法简单、实用,是一种新的方法。     

基于全局敏感性分析和动态代理模型的复杂非线性系统优化设计方法

针对复杂非线性系统多参数优化设计不仅计算工作量大,而且难以获得理论上最优解的问题,提出将全局敏感性分析和动态代理模型技术相结合的多参数多目标优化策略。通过基于方差的Sobol全局敏感性分析精简系统模型,确定敏感参数,并构造基于敏感参数的多目标代理模型,采用NSGA-II遗传优化算法得到当代最优解。优化过程中,代理模型和搜索空间不断更新,最优解附近的精度不断提高,直到满足优化迭代的收敛准则。将本方法应用于某汽车乘员约束系统的概念优化设计中,乘员的头部损伤指标(Head injury criterion,HIC)、胸部3 ms伤害指标C3ms和胸部压缩量D分别降低了11.3%、11.8%和9.4%,优化结果和最优解附近的精度都优于静态代理模型与NSGA-II遗传优化算法,取得明显的优化效果,证明了研究方法的有效性。     

以MATLAB GUI为平台的代理模型优化设计工具箱

为便捷解决常见工程优化设计问题,设计出一种基于代理模型的优化设计工具箱(Surrogate-Based Design and Optimization Toolbox,SBDO Toolbox).该工具箱基于代理模型理论,借由MATLAB GUIDE功能开发,借助了MATLAB强大的数学计算分析能力,主要包含三个模块,...     

基于参数和代理模型不确定性的冲压稳健性设计优化

在传统的基于代理模型的冲压稳健性设计中,由于代理模型与真实模型间存在着误差,必然会导致优化结果存在一定的误差。将实验设计、Kriging模型相结合,综合考虑参数不确定性和代理模型不确定性的影响,提出了一种新的冲压稳健性优化设计方法。通过因素敏感性分析筛选出相应的设计变量和噪声因素,基于Kriging模型构建设计参数和质量指标的代理模型,采用蒙特卡罗分析方法以及遗传算法获得最优工艺解。实例分析结果表明,综合两种不确定因素的稳健设计方法能有效地降低拉裂、起皱约束失效概率,提高冲压件成形质量和工艺稳健性。     

基于代理的可重构制造执行系统研究

为构建基于代理的可重构制造执行系统,将重构划分为实体重构和实体关系重构,提出了基于代理模型、角色模型和特征模型实现重构的方法,建立了基于代理模型、角色模型和特征模型的可重构制造执行系统,并通过工序任务外协实例说明了如何用上述方法实现重构。     

基于代理模型的液压螺栓拉伸器优化设计

液压螺栓拉伸器是用于火电、核电、风电等大型设备螺栓连接的专用工具,具有结构紧凑、操作方便等优点。活塞是液压螺栓拉伸器中承受载荷的关键部件,如何减少结构应力是设计中最为关注的问题。针对高精度仿真模型在优化过程中需要耗费大量时间成本的问题,采用三维建模软件SolidWorks和有限元分析软件ANSYS构建活塞的参数化模型,对其进行静力学分析;然后,构建代理模型替代高计算成本的仿真模型,对活塞应力进行优化。结果表明,在活塞体积增大2.52%情况下,最大应力降低5.61%,证明基于代理模型的优化方法对液压螺栓拉伸器优化设计具有一定的指导意义。     

基于扩展实体数据的特征定义模型

扩展实体数据能有效地组织和关联零件模型中的图形信息和特征信息。本文提出了基于“标志”的扩展实体数据的特征定义模型 (包括加工特征模型和零件模型 ) ,并应用于集成化 CAD/ CAPP系统 SIP的特征定义子系统—— SIP- CAD,模拟实现了二维图形环境下回转类零件的“特征造型”功能 ,不仅提高了系统特征定义的层次、增强了特征编辑能力 ,而且保证了零件图形信息与特征信息的一致性     

基于网络动力学分析和云模型的数据分类方法

为了降低数据的存储量和提高系统的处理能力,本文将网络聚类中的相位同步模型和云模型相结合,提出了一种新的数据源的分类方法.首先,将数据源看作一个复杂网络,获得其拓扑结构图,利用模糊层次分析法确定各节点数据源的云模型;然后,计算云模型的期望值、熵和超熵,获得综合耦合强度,将其作为边权;最后,利用相位同步模型对各节点相位进行迭代,获得其分布曲线,进而对各数据源进行分类.本文所提出的方法不仅为数据的存储、清理和压缩提供方便,而且提高了数据的分析效率.     

内燃机各缸功率损失的代理模型诊断方法研究

目前针对内燃机各缸功率损失的诊断方法有很多,但均存在各种局限不能实现实时在线诊断。基于此,在FS诊断方法的基础上提出利用代理模型代替复杂的轴系参数模型的方法并进行功率损失反算,该方法既不需要提取瞬时转速信号的特征故障参数,也不需要复杂的轴系结构参数,仅通过某一测点瞬时转速的各谐次组合就能够精确判断内燃机各缸故障情况,得到满足工程需求精度的诊断结果。通过对比分析反算各缸功率损失与仿真设定功率损失的结果表明:两者相差甚小,完全能够用于工程实际的故障诊断。该方法为快速在线诊断内燃机各缸功率损失提供参考。