考虑不确定因素下电磁场逆问题的可靠性优化设计研究

Considering various uncertainties in engineering problems, the project focuses on the reliability-based optimal design to improve robustness and feasibility of industrial products. In this project, with the help of probability theory and fuzzy theory, the reliability analysis is applied to predict the degree of stability for objective and constraint functions through the stochastic distribution of design variables/parameter. The main targets are listed as follows：(1) To deal with insufficient uncertainties in the early design stage, the fuzzy theory will be used for uncertainty modeling in the prediction of reliability. (2) For the large scale and complex inverse electromagnetic problems, the numerical efficient methods of reliability evaluation will be developed based on the design sensitivity analysis by FEM and the dynamic Kriging surrogate model. (3) In order to obtain multiple reliable solutions, a multi-objective reliability-based optimal design algorithm will be proposed by using the particle swarm optimization algorithm. Finally, the suggested reliability-based optimal design algorithm will be validated by engineering experiment of Thomson coil actuator used for arc eliminator system. This project will establish new topics about reliability theory and reliability-based optimal design in the field of domestic computational electromagnetic.

针对工程问题中的各种不确定性因素，本项目从提高工业产品的稳定性和可靠性出发，拟开展电磁场逆问题基于可靠度的优化设计研究。本研究中的可靠性分析是基于概率理论和模糊理论，通过设计变量或参数的随机分布来预测工程系统的目标性能和约束函数的稳定程度。其主要研究内容分为以下几个方面: (1) 在产品设计的初级阶段，针对不充足的不确定信息，本项目采用模糊理论模拟不确定因素, 并将其用于可靠度的预测中。(2) 针对大型复杂的电磁场问题，分别基于有限元设计灵敏度分析和动态Kriging模型，研究快速高效的可靠度预测方法。(3) 从平衡多个性能目标的角度出发，开发基于粒子群的多目标可靠度优化设计算法。最后对用于快速消弧装置的Thomson Coil 执行器进行基于可靠度的优化设计，以此为工程实例来验证本项目开发的优化算法。本项目将填补我国计算电磁学领域在可靠度优化设计理论和技术方面的研究空白。

针对电气工程领域中的各种不确定性因素，本项目从提高电工产品的稳定性和可靠性出发，开展了电磁场逆问题基于可靠度的优化设计研究。.本项目的科学意义在于：首次在电气工程领域基于概率理论和模糊理论，通过设计变量或参数的随机分布来预测工程系统的目标性能和约束函数的稳定程度。可以提高电工产品的质量、系统的可靠性，有助于工程师在复杂工况下做出可靠的决策。.本项目的主要研究内容包括：.1、针对产品设计初期，很难获得足够的不确定信息，提出了基于模糊数学的可能性理论进行可靠度评估方法。针对大型复杂的电磁场问题，分别基于灵敏度分析和代理模型，提出了快速高效的可靠度预测方法。.2、为实现系统的最优性能以及保证系统最高的可靠度，本项目从多目标的角度提出优化模型，结合区域分解、代理模型及新型优化方法等高效策略为设计者提供较多的优化候选解。.3、通过一台永磁同步电机进行基于可靠度的优化设计，数值上验证了本项目开发的优化算法。本研究对高性能电机的精细化设计和生产具有借鉴意义。.4、最后将所开发的算法程序等集成为一个优化桌面，为智能设计程序的开发奠定了初步的基础。.同时，结合该项目的研究，培养硕士5名，在国际学术期刊、国际会议等发表论文18篇，被SCI收录6篇，获得授权国家发明专利1项。