面向复杂产品早期设计阶段模型不确定性的方案优化设计

复杂产品早期设计阶段的不确定性对产品性能有重要影响，但由于设计信息匮乏等原因，其处理消解非常困难，为此本项目提出基于图文法推理和极端条件分析求解的方案优化设计方法。在方案结构层首先建立基于对象继承和图文法规则的复合性能组件模型库，然后开发以产品功能驱动和性能接口匹配驱动的、基于双外推法的系统模型动态组合算法；在分析计算层，参考产品配置和布局等信息把系统模型装配成目标数学模型，然后采用定性定量相结合的方法分析模型不确定性敏度、可求解性、耦合强度等因素以决定模型的求解策略和方法，最后采用集成一体化、子系统并行优化或链式传播分析并结合蒙特卡洛仿真、泰勒近似展开等方法对目标数学模型和极端条件进行优化求解。根据求解结果满足目标要求等情况从系统组成、性能组件及参数取值三个层次进行调整以获得最优设计方案。在基于进程模板的设计资源柔性集成系统上进一步开发方案优化设计系统并以坦克等复杂产品进行应用和验证。

复杂产品早期设计阶段的不确定性对产品性能有重要影响，但由于设计信息匮乏等原因，其处理消解非常困难，为此本项目提出基于图文法推理和极端条件分析求解的方案优化设计方法。主要研究内容有：①在方案结构层建立基于对象继承和图文法规则的复合性能组件模型库；②开发以产品功能驱动和性能接口匹配驱动的、基于双外推法的系统模型动态组合算法；③在分析计算层，参考产品配置和布局等信息把系统模型装配成目标数学模型，然后采用定性定量相结合的方法分析模型不确定性敏度、可求解性、耦合强度等因素以决定模型的求解策略和方法；④采用集成一体化、子系统并行优化或链式传播分析并结合蒙特卡洛仿真、泰勒近似展开等方法对目标数学模型和极端条件进行优化求解。取得的主要结果有：⑴以悬挂系统为例，构建了三层次复合性能组件模型库，建立了以坦克行动系统功能驱动的行驶平顺性系统性能生成方法，包括功能分解、性能模型选择和设计参数取值范围确定等三个步骤；建立了基于元模型的系统性能优化模型生成方法；设计并开发了包含方案生成、优化模型生成系统性能模型生成和配置需求及性能组件管理扥四个模块的软件系统框架。与传统的基于设计变量的优化设计方法相比，在车速为20m/s、E级路面行驶条件下，可获得行驶平顺性提高30%以上的坦克装甲车辆行动系统设计方案。⑵建立了面向产品变异设计的设计资源复合集成方法及其软件系统。定义了设计任务、设计活动、设计资源等模型，给出了设计资源复合集成流程引擎及双层次设计资源集成机制，开发了资源集成系统功能及行为模型，以坦克悬挂系统为例，对其变异设计进行了测试应用，设计效率可提高30%以上。⑶建立了在产品设计变更传播过程中消解参数耦合的设计探求方法：首先确定了设计变更传播过程中存在的并行和串行设计耦合，基于灵敏度分析方法给出了设计耦合消解方法，开发了动态耦合消解过程的软件原型系统。⑷采用力学分析方法，建立了坦克行动系统行驶参数化物理性能模型，在获得行动系统设计方案后，可对行动系统的结构参数进行优化，获得更详细的设计参数。本项研究工作的主要意义在于将不确定条件下的优化设计由参数层引入到模型层，大大拓宽了优化设计的应用范围，同时也为产品方案设计阶段开展优化设计，进而获得性能优良的设计方案提供了可行方法。