兩級集成系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化方法及其在深?？臻g站總體概念設計中的應用.pdf

1、深?？臻g站是一個高新技術密集、多個學科高度綜合的復雜系統(tǒng)工程，涉及到多個學科內(nèi)容：水動力學、結構力學、材料、能源與推進、操縱與控制等。這些學科之間相互聯(lián)系，有的甚至相互矛盾，使得深?？臻g站的總體概念設計呈現(xiàn)典型的“多學科”特點。然而，傳統(tǒng)設計方法不能充分地考慮學科之間的相互影響，且依賴于總體設計專家的經(jīng)驗，由此得到的設計結果往往只是滿足設計要求的解，并非真正的整體最優(yōu)解，從而導致深?？臻g站總體性能的下降。此外，傳統(tǒng)設計方法存在設計周期長

2、、效率低的問題，且深?？臻g站尚無設計經(jīng)驗可以依靠，故將傳統(tǒng)設計方法直接應用于深海空間站的總體概念設計，會導致整個研發(fā)成本的急劇增加，傳統(tǒng)設計方法已難以適應深?？臻g站這類復雜系統(tǒng)的優(yōu)化設計。為了應對深海空間站總體概念設計中這樣的難題，必須尋找到一種新的設計理論和方法，從系統(tǒng)的觀點突破傳統(tǒng)設計方法存在的缺陷，進而實現(xiàn)深?？臻g站的整體優(yōu)化設計。 在這種情況下，本文作為國防科工委“十一五”重大科技專項“深海空間站主站關鍵技術研究”的有機

3、組成部分，引入航空領域迅速發(fā)展起來的解決復雜系統(tǒng)優(yōu)化設計的多學科設計優(yōu)化方法(MultidisciplinaryDesignOptimization，MDO)，探索其在深?？臻g站總體概念設計應用上的可行性和適用性。論文圍繞多學科設計優(yōu)化方法及其在深?？臻g站總體概念設計中的應用，主要進行了以下幾方面的研究工作： 1.課題相關研究領域的綜述針對深海空間站的國內(nèi)外研究進展以及多學科設計優(yōu)化研究與應用現(xiàn)狀進行了綜述。闡述了多學科設計優(yōu)化

4、在深?？臻g站總體概念設計中應用的意義，介紹了多學科設計優(yōu)化的發(fā)展概況、難點以及主要研究內(nèi)容。 2.多學科設計優(yōu)化方法的比較研究選取三種具有代表性的多學科設計優(yōu)化方法：MDF、CO以及BLISS方法，詳細介紹了它們的設計思想以及數(shù)學模型。采用NASA提供的多學科設計優(yōu)化標準算例，并結合多屬性決策法對以上三種多學科設計優(yōu)化方法進行了不同初始點的定量比較。研究結果表明：(1)隨著工程對象的不同，所適合的多學科設計優(yōu)化方法也將不同，沒有

5、絕對意義上最好的多學科設計優(yōu)化方法；(2)基于BLISS和CO提出一種新的多學科設計優(yōu)化方法，將對深?？臻g站的總體概念設計有著重要的現(xiàn)實意義。 3.結合BLISS和CO的主要特點，提出了兩級集成系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化(BLISCO)多學科設計優(yōu)化方法在保留協(xié)同優(yōu)化方法協(xié)同機制的同時，借鑒BLISS將設計變量分為系統(tǒng)級設計變量和子系統(tǒng)設計變量，并用子系統(tǒng)耦合輸出響應的加權和代替一致性約束作為子系統(tǒng)優(yōu)化的目標函數(shù)，從而提出了BLISCO多學科

6、設計優(yōu)化方法。通過NASA提供的兩個多學科設計優(yōu)化標準算例對BLISCO進行了測試。結果表明：BLISCO在滿足收斂性的同時，具備較佳的準確性與魯棒性，是一種有效的多學科設計優(yōu)化方法，從而為實現(xiàn)深海空間站的總體概念多學科設計優(yōu)化提供了有力的工具。 4.采用BLISCO多學科設計優(yōu)化方法對載人潛水器(HOV)進行總體概念設計為了更好地實現(xiàn)深?？臻g站總體概念的多學科設計優(yōu)化以及探索BLISCO方法在潛器多學科設計優(yōu)化中的可行性和適用

7、性，采用BLISCO方法成功實現(xiàn)了HOV總體概念的多學科設計優(yōu)化。優(yōu)化結果顯示：HOV的總體綜合性能大大提升，縮短了設計周期，且BLISCO方法對于HOV總體概念多學科設計優(yōu)化的綜合效果優(yōu)于PGA-CO。因此，BLISCO方法完全可以應用于潛器的多學科設計優(yōu)化，從而為基于BLISCO方法的深?？臻g站總體概念多學科設計優(yōu)化提供工程實例支持。 5.深?？臻g站系統(tǒng)集成模型的研究根據(jù)深?？臻g站系統(tǒng)設計的特點，建立了包含外形、阻力與推進、

8、能源、結構、重量與靜水力平衡、以及操縱性六大學科的參數(shù)化系統(tǒng)集成模型，明確了各學科的輸入輸出關系。通過設計結構矩陣的應用，建立了合理的設計流程，并發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)集成模型存在以下兩個特點：(1)學科之間信息的大量交換；(2)只存在設計信息的向前傳遞，而無信息反饋。因此，深?？臻g站的總體概念設計是一個順序執(zhí)行的過程，屬于弱耦合設計問題。本研究為即將開展的基于BLISCO方法的深?？臻g站總體概念多學科設計優(yōu)化奠定了堅實的基礎。 6.BLIS

9、CO方法在深?？臻g站上的應用研究本研究以深海空間站系統(tǒng)集成模型為基礎，將深?？臻g站總體概念設計優(yōu)化問題分解為水動力子系統(tǒng)、結構子系統(tǒng)以及總體性能子系統(tǒng)，然后采用BLISCO方法對其進行多學科設計優(yōu)化。BLISCO方法在深海空間站多學科設計優(yōu)化中的成功應用表明：(1)結合BLISCO思想提出的深?？臻g站三子系統(tǒng)分解方法是可行的；(2)BLISCO方法可有效應用于深海空間站的總體概念多學科設計優(yōu)化。 本文創(chuàng)新性的工作總結如下：

10、 1.結合BLISS和CO的主要特點，提出了BLISCO多學科設計優(yōu)化方法。通過標準算例的測試，揭示了BLISCO具有諸多優(yōu)點，是對多學科設計優(yōu)化方法的豐富和發(fā)展； 2.針對深?？臻g站的特點，建立了參數(shù)化的系統(tǒng)集成模型，在此基礎上將深?？臻g站的總體概念設計分解為三個子系統(tǒng)，并將本文所建立的BLISCO多學科設計優(yōu)化方法成功地加以應用，實現(xiàn)了深?？臻g站總體概念的多學科設計優(yōu)化； 3.針對PGA-CO在載人潛水器總體概念多