基于时变不确定性分析的复杂机械系统多学科设计优化

Uncertainty analysis play vital role in multidisciplinary optimization design of complex mechanical system. Time-dependent uncertainty is the major cause to degrade the performance of mechanical complex system over its service period. In consideration of time-dependent uncertainty and multidisciplinary design characteristic in complex system, this project investigates an application of typical complex mechanical system, by means of imprecise probability theory, Bayesian theory, and Markov chain analysis. the research focus on sources, types, propagation, and quantitative methods of time-varying uncertainties whih highly coupled and nonlinear response in computing complex design environment. The model of multidisciplinary sensitivity analysis, dynamic reliability assessment and prediction are set up based on the time-varying uncertainty analysis. Finally multidisciplinary optimization design model is established which can effectively deal with time-varying uncertainty and has higher efficiency.The research can expand uncertainty quantification theory, enrich and perfect the multidisciplinary analysis and design of complex mechanical systems.

不确定性分析是复杂机械系统多学科优化设计的难点之一。而时变不确定性则是影响复杂机械系统在服役期内功能特性的主要原因。本项目针对复杂机械系统设计的时变不确定性，结合多学科、多目标、多耦合、多约束等设计特征，以某一典型复杂机械系统为应用对象，基于不精确理论、贝叶斯理论和马尔科夫链分析，研究在高度耦合、非线性响应以及计算复杂的设计环境下时变不确定性的来源、类型、传播、量化等共性问题；并以此为基础，研究时变不确定性条件下的多学科敏感度分析、动态可靠性评估与预测，最终建立能够有效处理时变不确定性且具有较高效率的多学科优化设计方法体系。该项目对拓展不确定量化理论、丰富和完善复杂机械系统的多学科分析与设计方法，缩短产品设计周期、提高产品设计质量具有实际应用价值。

现代复杂机械系统是一种结构复杂、功能需求多、性能指标要求高的产品，在保证高可靠性的前提下实现满足用户复杂功能和性能要求的产品设计方案是一个极其困难的问题。不确定性分析是复杂机械系统多学科优化设计的难点之一。而时变不确定性则是影响复杂机械系统在服役期内功能特性的主要原因。本项目从复杂机械系统的需求分析、功能分解、原理设计、构形方案入手，针对复杂机械系统中大量存在的时变不确定性、各子系统之间的耦合性等主要因素，从复杂机械系统性能所涉及的多学科、多尺度层次上，研究了复杂机械系统性能多学科优化的理论与方法。. 项目以发动机涡轮盘为应用对象，基于凸集理论、区间理论、Copula函数、正交变换等方法研究了在高度耦合、非线性响应以及计算复杂的设计环境下时变不确定性的来源、类型、量化等共性问题；建立了时变不确定因素的量化模型；建立了时变不确定因素在相关条件下的量化模型；并以此为基础，基于SAND、CO等典型多学科设计优化方法，结合随机过程理论、Sobol’法、双循环分析机制建立了时变不确定性传播量化模型；利用通过时变功能函数的逆可靠性分析、改进宽容分层序列法、代理模型、时变响应极限值方法建立了基于时变不确定性的多学科设计优化模型；为了减少时变不确定因素的影响，通过可靠性设计、稳健设计建立了可靠性稳健设计MDO模型。通过改进的人共蜂群算法、乌鸦算法、遗传算法等智能算法建立了MDO模型求解算法。. 通过本项目的研究，最终建立了能够涵盖时变不确定性量化和敏感度分析、多学科分析和优化等内容，能有效处理时变不确定因素、能更有效地满足设计者偏好、计算复杂度适中的时变不确定性条件下复杂机械系统MDO方法。该项目对拓展不确定量化理论、丰富和完善复杂机械系统的多学科分析与设计方法，缩短产品设计周期、提高产品设计质量具有实际应用价值。