适应复杂工况的重大工程装备多学科协同设计理论与方法

The overall performance of major construction equipments (e.g. tunneling and mining machines) in Liaoning and China lags far behind of the analogous products in developed countries in the adaptability to complex conditions, the dynamic stability and the mining efficiency. This is mainly due to the fact that accurate prediction of load under complex working conditions, multidisciplinary modelling for complex systems and solving the multidisciplinary optimization problem under multiple uncertainties are extremely difficult, which results in impossible or inefficient collaborative design optimization for major construction equipments from system level. To overcome these issues, this project attempts to 1) predict load and its uncertain based on big data mining as well as an inverse model; 2) investigate the data exchange between different disciplines (Mechanical, electrical, hydraulic and control) and establish a variable-fidelity multidisciplinary model, 3) construct full correlation matrix of variable-variable, variable-performance and performance-performance, and realize self-adaptive model decoupling, 4) analyze the uncertainties of load and assembly parameters and propose a multidisciplinary robust design optimization algorithm. This aim of this project is to put forward a novel multidisciplinary collaborative design method for the design of major construction equipments under complex conditions, and will be applied to the design of a typical major construction equipment (TBM).

辽宁省乃至我国的重大工程装备（如掘采装备）与欧美发达国家同类产品相比，整机工况适应性、动力稳定性和掘采效率等综合性能存在较大差距，主要因为复杂工况下的载荷难以准确预测，兼顾精度和效率的多学科耦合模型难以构建，考虑多源不确定性的多学科优化难以求解，进而导致面向性能的重大工程装备多学科协同设计难以实现。针对这些难点问题，本项目通过挖掘蕴含在运行大数据中的载荷动态特性，建立载荷反演模型，实现载荷准确预测；探索机、电、液、控多学科交叉变量的信息传递规律，建立整机的变保真度多学科耦合模型；构造变量-变量、变量-性能和性能-性能全关联矩阵，实现模型的自适应解耦；研究载荷和装配参数不确定性演变与传播规律，提出双层嵌套优化问题的高效求解算法，形成多学科鲁棒优化设计方法。最终建立一种适应复杂工况的重大工程装备多学科协同设计理论和方法，并基于典型重大工程装备（如全断面硬岩掘进机）进行工程应用。

我国重大工程装备（如盾构机）与欧美发达国家同类产品相比，整机工况适应性、动力稳定性和效率等综合性能存在较大差距，主要因为复杂工况下的载荷难以准确预测，兼顾精度和效率的多学科耦合模型难以构建，考虑多源不确定性的多学科优化难以求解，进而导致面向性能的重大工程装备多学科协同设计难以实现。针对这些难点问题，本项目开展了复杂工况的重大工程装备多学科协同设计基础理论和关键技术等方面的研究。.首先，针对重大装备设计的载荷准确给定难题，研究了实测多源异构大数据的特征聚类和时序分割方法方法，建立了数据聚类辅助的实测数据回归模型，实现了多源异构大数据驱动的盾构机载荷预测。其次，针对重大装备多学科耦合导致的建模难问题，研究了盾构机刀盘驱动系统多学科分层建模方法和面向复杂系统的组合代理模型技术，建立了融合不同保真度数据的变保真度代理模型，结合单一\变保真度代理模型的定量评价方法，实现了基于变保真度的耦合建模。然后，针对重大工程装备系统变量多、耦合强的特点，研究了基于多学科耦合关联图谱的环境类别识别方法和基于多学科关联路径的耦合度度量与隐关联方法，分析了多学科变量和性能间的关联强度计算与可迁移性，提出了多学科变量关联分析与自适应解耦方法。最后，针对重大工程装备含有多源不确定性的问题，研究了重大装备装配连接的不确定性演变特性和规律，提出了基于序列加点的高效近似模型构建方法，结合多类不确定性的结构拓扑优化、界面强度和拉压非对称强度准则的多材料结构拓扑优化，实现了考虑多源不确定性的优化和高效求解。同时，开发了相应的算法和多学科优化设计软件系统平台（DADOS），并在盾构机、大型矿用挖掘机、堆取料机等典型重大工程装备中得到了成功应用。研究成果发表学术论文68篇(其中SCI收录论文49篇)，申请发明专利17项(其中10项已授权)，荣获7项省部级科技进步一等奖等，对复杂工况的重大工程装备多学科协同设计领域的发展起到了积极推动作用。