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稳健性优化设计理论与方法及其在固体火箭发动机中的应用研究

作　者: 窦毅芳
导　师: 张为华
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 稳健性优化设计响应面建模全局灵敏度分析稳健性分析多目标优化序贯优化固体火箭发动机
分类号: V435
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 455次
引　用: 8次
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内容摘要

本文系统开展了稳健性优化设计理论与方法研究,并将其应用于固体发动机优化设计。阐述了稳健性优化设计基本概念和基本原理,提出了稳健性优化设计实现流程和理论框架,深入研究了稳健性优化设计过程中的响应面建模、全局灵敏度分析、稳健性分析、多目标优化求解和基于响应面模型的序贯优化等关键技术问题。对多种响应面拟合方法进行了详尽分析,并通过测试函数比较了各种响应面拟合方法的拟合精度和拟合效率,得到不同响应面拟合方法的适用性。在此基础上,深入研究了序贯响应面建模方法及其再采样策略,实现了响应面建模计算成本与模型拟合精度间的折衷。给出了张量积函数的定义,分析了张量积函数易于概率积分的特性。基于该特性研究高效的稳健性分析方法和全局灵敏度分析方法,解决了稳健性优化设计过程中反复进行稳健性分析的计算复杂性问题和变量筛选效率低的问题。研究了基于物理规划的多目标优化模型构造方法,从而方便、直观地表达设计偏好。从初始种群确定和选择策略两方面改进了一般遗传算法,得到了适用于求解多目标优化问题的优化算法。研究了基于Pareto灵敏度的Pareto前沿搜索方法和Pareto解比较分析方法,为设计人员提供直观地设计方案选择方法。研究了基于响应面模型的序贯单目标优化方法的实现流程、设计空间更新方法和响应面模型改进方法。在此基础上,研究提出了序贯多目标优化方法的设计空间更新方法和响应面模型改进方法,保证了基于响应面模型优化设计结果的准确性,并提高了基于响应面模型优化设计结果的收敛速度。最后,在前述设计理论与方法研究的基础上,结合跨大气层飞行器固体助推发动机优化设计实例,建立了固体火箭发动机稳健性优化设计模型,并通过稳健性优化设计方法得到了一组稳健最优解。通过稳健性优化设计结果与传统优化设计结果的比较分析,验证了稳健性优化设计方法的科学性和有效性。

全文目录

图目录  9-11
表目录  11-12
摘要  12-13
ABSTRACT  13-15
第一章绪论  15-30
  1.1 研究背景与意义  15-16
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  16-25
    1.2.1 响应面建模方法  17-19
    1.2.2 稳健性分析方法与全局灵敏度分析方法  19-21
    1.2.3 多目标优化方法  21-24
    1.2.4 基于响应面模型的序贯优化方法  24-25
  1.3 本文研究内容及章节安排  25-30
    1.3.1 研究内容  25-27
    1.3.2 章节安排  27-30
第二章稳健性优化设计理论  30-42
  2.1 引言  30
  2.2 稳健性优化设计基本概念  30-34
    2.2.1 稳健性  30
    2.2.2 稳健性指标  30-33
    2.2.3 稳健性优化设计  33-34
  2.3 稳健性优化设计原理  34-37
    2.3.1 三次设计  34-36
    2.3.2 可行稳健性实现原理  36
    2.3.3 敏感稳健性实现原理  36-37
  2.4 稳健性优化设计流程与理论框架  37-40
    2.4.1 稳健性优化设计流程  37-39
    2.4.2 稳健性优化设计的理论框架  39-40
  2.5 小结  40-42
第三章响应面建模方法  42-59
  3.1 引言  42
  3.2 响应面拟合方法  42-47
    3.2.1 多项式回归法  42-43
    3.2.2 神经网络法  43-44
    3.2.3 Kriging法  44-45
    3.2.4 径向基函数法  45-47
  3.3 响应面拟合方法比较分析  47-51
    3.3.1 拟合精度检验准则  47-48
    3.3.2 算例及其结果比较  48-50
    3.3.3 分析及结论  50-51
  3.4 序贯响应面建模方法  51-54
    3.4.1 主要的序贯采样策略  51-53
    3.4.2 改进的交互验证策略  53-54
    3.4.3 基于改进交互验证策略的序贯响应面建模流程  54
  3.5 算例及其分析  54-57
    3.5.1 响应面建模  55-57
    3.5.2 结果分析  57
  3.6 小结  57-59
第四章稳健性分析方法与全局灵敏度分析方法  59-73
  4.1 引言  59
  4.2 现有的稳健性分析方法  59-62
    4.2.1 一阶泰勒展开法  59-60
    4.2.2 蒙特卡洛仿真法  60-61
    4.2.3 快速概率积分法  61-62
  4.3 基于张量积函数的稳健性分析方法  62-66
    4.3.1 基于张量积函数的概率积分法  62-63
    4.3.2 张量积函数模型转换方法  63-65
    4.3.3 应用实例分析  65-66
  4.4 全局灵敏度分析方法  66-72
    4.4.1 基于蒙特卡洛仿真的全局灵敏度分析方法  66-67
    4.4.2 基于Sobol’法的全局灵敏度分析方法  67-69
    4.4.3 基于张量积函数的全局灵敏度分析方法  69
    4.4.4 实例分析  69-72
  4.5 小结  72-73
第五章多目标优化方法  73-88
  5.1 引言  73
  5.2 基于物理规划的优化模型构造方法  73-76
    5.2.1 偏好函数  73-74
    5.2.2 偏好函数分区及性质  74-75
    5.2.3 物理规划法构造的优化模型  75-76
  5.3 基于改进遗传算法的多目标优化算法  76-79
    5.3.1 改进的初始种群选取方法  76-78
    5.3.2 改进的精英选择策略  78-79
  5.4 基于Pareto灵敏度分析的Pareto前沿搜索方法  79-83
    5.4.1 Pareto灵敏度分析  79-81
    5.4.2 Pareto前沿搜索方法  81-82
    5.4.3 Pareto解比较分析方法  82-83
  5.5 算例及其分析  83-86
    5.5.1 构造优化模型  83-84
    5.5.2 求解优化模型  84
    5.5.3 Pareto前沿搜索和比较决策  84-86
  5.6 小结  86-88
第六章基于响应面模型的序贯优化方法  88-101
  6.1 引言  88
  6.2 基于响应面模型的序贯单目标优化方法  88-93
    6.2.1 基于响应面模型的单目标序贯优化流程  88-90
    6.2.2 设计空间更新方法  90-91
    6.2.3 响应面模型改进方法  91-93
  6.3 基于响应面模型的序贯多目标优化方法  93-96
    6.3.1 设计空间更新方法  93-95
    6.3.2 响应面模型改进方法  95-96
  6.4 算例及其分析  96-99
    6.4.1 基于响应面模型的单目标序贯优化算例  96-98
    6.4.2 基于响应面模型的多目标序贯优化算例  98-99
  6.5 小结  99-101
第七章固体火箭发动机稳健性优化设计  101-114
  7.1 引言  101
  7.2 固体火箭发动机稳健性优化设计模型  101-103
    7.2.1 设计要求  101-102
    7.2.2 传统优化设计模型  102
    7.2.3 稳健性优化设计模型  102-103
  7.3 固体火箭发动机稳健性优化设计流程  103-106
  7.4 优化结果比较分析  106-113
    7.4.1 可行稳健性分析  106-107
    7.4.2 敏感稳健性分析  107-112
    7.4.3 稳健性优化设计方法与传统优化设计方法的比较分析  112-113
  7.5 小结  113-114
结束语  114-117
致谢  117-118
参考文献  118-133
作者在学期间取得的学术成果  133

稳健性优化设计理论与方法及其在固体火箭发动机中的应用研究

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