基于多源异种不确定性信息处理的复杂机械系统多学科可靠性设计优化

Represented by spacecrafts, the mechanical systems of high-end equipments usually have many sub-systems; and these sub-systems are associated by coupled disciplines; meanwhile, multi-sources dissimilar uncertainties are transported and accumulated in the systems. Consequently, the complex systems of high-end equipments often have long design cycles and high costs; and their system performance is also low reliability and poor security.. To solve these problems, this project focuses on the multidisciplinary reliability design and optimization for complex mechanical systems under multi-sources dissimilar uncertainties. The mechanical structure design problem of a satellite propulsion system is chosen as the engineering background. Based on the system hierarchical control strategy, the analytical target cascading method and the collaborative optimization method will be introduced in this project to establish a multi-levels and multidisciplinary system model; meanwhile, the multi-sources information fusion technology and the non-probability analysis method will be utilized to analysis the multi-sources dissimilar uncertainties. Then, a multidisciplinary reliability design optimization method will be proposed for complex mechanical systems design under multi-sources dissimilar uncertainties, which is in the framework of sequential optimization and reliability assessment.. The project will enrich and develop the reliability-based design and optimization theories and methods; it can also provide the enabling technology supports for the quality assurance and the performance enhancing of high-end equipments in our country.

以航天器为代表的高端装备，其机械系统通常包含多层次子系统，且这些子系统由诸多门类子学科耦合关联；同时，多源异种不确定性在系统内部传播累积。这导致高端装备研制周期长、设计成本高，且系统性能可靠性低、安全性差。针对上述问题，本项目以某型号卫星推进系统机械结构作为工程对象，以多源异种不确定性下的机械系统多学科可靠性设计优化作为研究切入点；首先，在系统递阶控制策略下，利用目标层解分析法与协同优化方法建立系统多层次多学科设计优化模型；随后，利用多源信息融合技术、非概率分析方法建立多源异种不确定性下的系统性能可靠性评估模型；最后，在序列优化与可靠性评估框架下，将所提出系统设计优化模型与可靠性评估模型进行整合，提出一种面向高端装备的可靠性设计优化方法，着力解决多源异种不确定性跨层次跨学科传播方式下的机械系统设计问题，丰富和发展可靠性设计优化理论与方法，为我国高端装备的质量保障与性能提升提供使能技术支撑。

现代科学技术的日新月异，使得工程系统愈发复杂化，其具体设计过程往往涉及诸多学科，且学科之间的联系耦合紧密。为了解决传统设计优化方法的局限性，多学科设计优化（MDO）应运而生。MDO方法在充分考虑耦合学科之间协同效应的同时，从工程系统全局的角度进行设计优化，实现提高系统综合性能，缩短研发周期并降低生产成本的目的。不确定性因素广泛地存在于实际工程系统中。特别是在复杂耦合的工程系统中，不确定性因素会随着耦合信息的传播而累积，最终对工程系统的综合性能产生影响，给工程系统的可靠性、稳定性以及安全性带来隐患。为了在设计优化过程中有效考虑这些不确定性因素的影响，基于不确定性的多学科设计优化（UBMDO）已成为现代工程系统设计的研究热点之一。迄今为止，在结合经典概率论、区间分析、模糊评估等可靠性分析方法后UBMDO日趋成熟。同时，由于序列优化与可靠性评估（SORA）等分解策略的采用，使得不确定性分析过程与设计优化过程相互解耦，运算效率得以进一步提升。本研究分别从UBMDO中的MDO方法创新和不同可靠性分析方法在UBMDO中的应用两个方面展开研究。具体地，利用大系统递阶控制理论与方法在处理复杂系统协调问题中的策略，针对SORA下UBMDO中的确定性MDO方法进行创新研究；利用鞍点近似方法对一阶可靠性方法评估精度的改进，以及利用子集模拟可靠性分析方法对小概率失效事件的可靠性分析评估效率的改进，分别将上述两种新的可靠性分析方法引入并应用到SORA下UBMDO中的可靠性分析环节。两个方面的理论研究工作围绕SORA策略下UBMDO整体的计算效率提高与优化精度改进展开，拓展了现有UBMDO的理论体系。最后，以某型号卫星推进子系统为例，展开UBMDO方法在结构设计优化中的工程应用研究。系统地分析该子系统机械结构的多学科耦合特性以及不确定性因素影响，完成了该子系统的UBMDO。与原始设计方案进行对比分析，完成了设计方案的验证与反馈。