飛行器不確定性多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用.pdf

1、飛行器設(shè)計通常涉及多個學(xué)科和復(fù)雜費時的仿真模型，且各學(xué)科設(shè)計模型中通常存在多種不確定性，如何在追求飛行器高性能的同時，提高飛行器的穩(wěn)健性與可靠性是當(dāng)前迫切需要解決的問題。不確定性多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化（Uncertainty-Based Multidisciplinary Desgin Optimization，UMDO）方法研究不確定性條件下復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化問題，對于提高飛行器設(shè)計水平具有重要意義。飛行器設(shè)計過程具有層次性，本文針對上述特點

2、對隨機及混合不確定性條件下層次系統(tǒng)的UMDO方法進(jìn)行研究，包括近似建模、不確定性分析、不確定性優(yōu)化以及UMDO優(yōu)化過程四項關(guān)鍵技術(shù)，形成了一套針對層次系統(tǒng)的較為系統(tǒng)的UMDO方法，并將其分別應(yīng)用于復(fù)合材料機翼氣動彈性裁剪、小衛(wèi)星總體設(shè)計以及在軌加注任務(wù)規(guī)劃。
　　在UMDO理論方面：
　　首先，研究了近似建模中隱式極限狀態(tài)方程的近似問題。對最小二乘支持向量機（Least Squares Support Vector Mach

3、ines，LSSVM）方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了應(yīng)用于隱式函數(shù)的近似的加權(quán)最小二乘支持向量回歸機方法 WLSSVR（Weighted Least Squares Support Vector Regression，WLSSVR）；針對隱式函數(shù)的全局近似問題，對其序貫建模方法進(jìn)行了研究，提出了基于潛在最大梯度點的序貫建模方法；由于在工程實際中基于概率論的可靠性分析問題廣泛存在，專門針對該問題開展了相應(yīng)序貫建模方法的研究，提出了基于潛在最大可能

4、點的序貫建模方法。通過測試算例驗證了上述方法的近似能力。
　　其次，研究了隨機不確定性條件下層次系統(tǒng)的UMDO方法。構(gòu)建了兩種用于層次系統(tǒng)的隨機不確定性分析法：同時概率分析法和層次概率分析法，并在此基礎(chǔ)上提出了序貫概率目標(biāo)級聯(lián)分析法SPATC（Sequential Probabilistic Analytical Target Cascading）。將SPATC方法應(yīng)用于具有近似正態(tài)或非正態(tài)相關(guān)響應(yīng)以及高維問題上，驗證了其計算效率

5、與精度方面的優(yōu)勢。
　　最后，研究了混合不確定性條件下層次系統(tǒng)的UMDO方法，具體包括混合不確定性傳播方法、混合不確定性優(yōu)化方法以及混合不確定性優(yōu)化過程三部分。結(jié)合可靠性指標(biāo)法RIA（Reliability Index Approach）以及性能測度法PMA（Performance Measurement Approach）形成了混合不確定性傳播方法RIA-MUP（Mixed Uncertainty Propagation）和PM

6、A-MUP，為設(shè)計變量中包含不確定性融合變量的不確定性分析與傳播問題提供了一種求解途徑；通過 PMA-MUP方法將可信性約束轉(zhuǎn)換為確定性約束，進(jìn)而將混合不確定性優(yōu)化問題解耦為混合不確定性分析與確定性優(yōu)化問題序貫求解，為混合不確定性優(yōu)化問題的求解提供了一種有效方法；針對層次系統(tǒng)的混合不確定性優(yōu)化問題，結(jié)合上述方法以及SPATC方法，提出了混合不確定性目標(biāo)級聯(lián)法MUATC（Mixed Uncertainty based Analytical

7、 Target Cascading），通過算例測試，驗證了MUATC方法的有效性。
　　在UMDO應(yīng)用方面：
　　首先，研究了復(fù)合材料機翼氣動彈性裁剪問題。建立了復(fù)合材料機翼氣動彈性裁剪問題的數(shù)學(xué)模型。對氣動彈性裁剪問題進(jìn)行了層次分解，采用ATC方法對分解后的模型進(jìn)行組織求解，得到了較好的優(yōu)化效果。考慮模型中存在隨機不確定性和隨機/認(rèn)知不確定性混合的情況，分別采用SPATC方法和MUATC方法進(jìn)行優(yōu)化求解，獲得了滿足可靠性/

8、可信性要求的最優(yōu)方案。
　　其次，研究了小衛(wèi)星總體設(shè)計問題。建立了概念設(shè)計階段小衛(wèi)星總體設(shè)計學(xué)科模型，根據(jù)小衛(wèi)星設(shè)計的層次性，對總體設(shè)計模型進(jìn)行了層次分解。采用ATC方法對層次分解后的模型進(jìn)行優(yōu)化，得到了較好的設(shè)計方案。分析了學(xué)科模型中涉及到的不確定性，分別考慮單獨隨機不確定性條件的小衛(wèi)星總體設(shè)計優(yōu)化問題，以及混合不確定性條件下的小衛(wèi)星總體設(shè)計優(yōu)化問題，分別采用SPATC方法和MUATC方法進(jìn)行優(yōu)化求解，獲得了較好的優(yōu)化效果。

9、r>　　最后，研究了在軌加注任務(wù)規(guī)劃問題。建立了地球同步軌道衛(wèi)星群在軌加注任務(wù)規(guī)劃問題的數(shù)學(xué)模型，并將其分解為求解服務(wù)航天器從軌道倉庫獲取推進(jìn)劑的次數(shù)、最優(yōu)選址，最優(yōu)路徑規(guī)劃以及目標(biāo)航天器最優(yōu)設(shè)計四個子問題進(jìn)行求解，并對任務(wù)規(guī)劃問題進(jìn)行層次分解。以20顆我國運行在地球同步軌道上的航天器作為未來在軌加注的對象，開展了“一對一”以及“一對多”在軌加注的確定性任務(wù)規(guī)劃，得到了最優(yōu)規(guī)劃方案。結(jié)果表明，“一對多”方案具有較大的優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，考

10、慮客觀隨機不確定性和主觀認(rèn)知不確定性的影響，分別采用SPATC和MUATC方法對“一對多”在軌加注的隨機不確定性任務(wù)規(guī)劃問題以及混合不確定性任務(wù)規(guī)劃問題進(jìn)行求解，獲得了滿足可靠性或可信性要求的最優(yōu)方案。
　　總之，論文結(jié)合飛行器設(shè)計的特點，對UMDO的多項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，形成了一套針對層次系統(tǒng)的較為系統(tǒng)的UMDO方法，并從部件級、總體級以及系統(tǒng)級三個層次探討了其在飛行器設(shè)計中的應(yīng)用，為UMDO理論發(fā)展和提高飛行器水平奠定了良好的