基于多维多项式混沌展开法的船舶不确定性优化设计

以船舶不确定性优化设计为对象,分析考虑多个随机变量对优化目标和约束的影响,提出一种基于多维多项式混沌展开法(PCE)的船舶不确定性优化设计,并将其应用于散货船工程优化实例中,保证船舶的稳健性和可靠性。

基于PCE法和最大熵法的船舶不确定性优化设计

[目的]船舶不确定性优化设计(UDO)的关键在于不确定性的量化(UQ),传统的蒙特卡洛方法较为耗时且计算成本较高,故提出一种基于多项式混沌展开法(PCE)和最大熵法(MEM)的船舶UDO方法。[方法]首先,选取较低计算成本的PCE法来量化多个不确定参数作用下输出的随机性质;然后,根据正交多项式的特点,采用基于线性无关原则的改进概率配点法(IPCM)求解PCE系数;最后,利用推导的约束前4阶矩,结合最大熵法求解约束的概率密度函数(PDF),进而在失效域上积分得到UDO关注的约束失效概率。[结果]研究结果表明:改进概率配点法可以给出最优的概率配点数目,并显著减少样本点数量;基于PCE法和MEM法求解约束失效概率时,与蒙特卡洛法结果对比,其在不额外增加计算量的前提下亦可满足精度要求;散货船工程算例的优化结果验证了PCE法较常用的蒙特卡洛法在精度和效率上更具工程应用优势。[结论]该不确定性优化设计方法可以高效准确地实现船舶设计方案的稳健性和可靠性。

PCE方法在空间实验室轨道预报误差分析中的应用

应用多项式混沌展开法(PCE)进行空间实验室轨道预报误差分析。通过构建PCE模型对轨道预报的不确定性传播过程进行近似,进而对轨道预报后航天器位置和速度的误差进行分析。分析了不同PCE模型阶数、预报时长以及样本点的数目对构建PCE模型的影响。综合考虑精度和计算效率,给出了适用于空间实验室轨道预报误差分析的PCE模型。将PCE方法与传统方法进行对比,结果表明PCE方法有较好的非线性近似能力,且计算效率高,验证了PCE方法应用于空间实验室轨道预报误差分析的有效性。

海浪预报不确定下的船舶运动姿态分析方法

实时准确地估计海浪预报不确定下的船舶运动姿态是一个非常困难的问题。为解决该问题,通过分析海浪预报的随机误差对船舶运动姿态估计的影响,建立基于不确定性海况预报数据的船舶运动姿态估计模型;引入多项式混沌展开方法,实现船舶运动姿态估计的不确定性量化(Uncertainty Quantification, UQ);利用船舶横摇运动仿真系统对多项式混沌展开(Polynomial Chaos Expansion, PCE)进行验证,并与常用的蒙特卡洛仿真方法(Monte Carlo Simulation, MCS)进行对比。试验结果表明:在船舶横摇运动姿态UQ问题上,PCE方法与MCS估计效果相当,但收敛速度更快,计算速度提升92%,对航行优化和实时评估船舶安全具有重要的意义。

多导体传输线串扰概率分布计算方法

针对实验设备中可视为多导体传输线结构的导线、微带线等存在的串扰不确定性问题,提出采用非干涉的广义混沌多项式展开法(gPCE)对串扰概率分布情况进行计算分析。结合多导体传输线理论建立多导体传输线串扰模型,分析实际情况下对传输线串扰产生影响的相关因素。将传输线的相关几何参数和位置参数选作为输入变量,采用(gPCE)计算得到传输线串扰的统计特征参数,基于(gPCE)建立的代理模型对传输线串扰的概率分布情况进行计算分析。通过与传统的蒙特卡洛法计算结果进行对比,证明了基于(gPCE)的传输线串扰概率分布计算的准确性和高效性。

改进的稀疏网格配点法对EIT电导率分布的不确定性量化

针对电阻抗成像(EIT)研究中电导率分布的不确定性问题,提出基于灵敏度分析的改进稀疏网格配点法以量化不确定性.以4层同心圆头模型为算例,采用基于方差的全局灵敏度分析法对其进行分析,发现各层电导率的变化对输出电位的影响程度各不相同.考虑模型中各维输入变量对输出结果不同程度的影响,改进传统稀疏网格配点法.改进方法对各维输入变量配置不同的精度水平,将EIT模型的隐式表达式转化为显式表达式,构造出高精度的替代模型.与蒙特卡洛(MC)法、混沌多项式展开(PCE)法和传统稀疏网格配点法相比,改进方法能够以更少的计算成本获得较高精度的量化结果.仿真结果验证了所提改进方法的高效性.

多级火箭级间热分离数值模拟及参数不确定性研究

热分离作为火箭级间分离的主要方式,在提高分离过程的可靠性时,存在着级间区域喷流与外界来流耦合以及环境参数不确定性影响等问题。以某型两级火箭级间热分离过程为研究对象,针对上述2个方面问题,结合计算流体力学、统计学等研究手段,通过求解RANS方程与刚体运动方程,开展对火箭级间热分离过程的仿真模拟工作,讨论了分离载荷变化3个阶段的产生原因。并考察不同飞行速度、飞行高度和飞行攻角3个环境输入参数的不确定性,基于混沌多项式展开法(PCE)构建分离过程的不确定性分析模型,结合Sobol敏感性分析法量化了各个输入参数的影响程度。结果显示:3个环境参数分别主要通过影响作用于二子级的气动力、改变流场物性和抑制马赫盘发展影响分离过程;PCE法获得的一、二子级轴向速度的不确定带呈现不同的变化模式,其峰值分别达到50.1%和29.2%,表明二子级抗干扰的能力强。轴、径向运动参数对飞行速度的敏感性最强,敏感性指标分别达到0.36和0.30。研究获得的不确定性量化特征指标,为热分离过程姿态的预测、探索分离关键影响因素以及进一步优化设计提供了良好手段。

砂土基MICP土工材料剪切强度试验及可靠性分析

选用巴氏芽孢杆菌,以不同粒径砂土为岩土基质,应用微生物诱导矿化技术生成MICP-土工材料试样,自然养护7d后,应用直剪仪进行了抗剪强度测试试验。结果表明,MICP-细砂土内摩擦角范围最大,MICP-粗粒砂土内摩擦角范围最小,这与微生物诱导生成的矿化物填充空隙的过程中形成胶结作用有重要的关系,粗粒砂土空隙大,MICP材料强度的增长主要依靠诱导生成的碳酸钙咬合力;中粗砂粒土表面粗糙度的提高有效增强了矿化土工材料的强度;细砂土主要是填充空隙,材料更加密实,导致抗剪强度最大。再运用多项式混沌扩展(PCE)方法建立代理模型,求得其前四阶统计矩,对内摩擦角输出响应的不确定性进行了量化。

紧急疏散状态下人群疏散时间的不确定性分析

基于人群疏散过程,利用多项式混沌展开的疏散时间法,分析了人群密度、人群组成、单个人员预动时间等疏散的不确定性参数对人群疏散时间的影响,为公共建筑内管理人员应对紧急事件提供了处置依据。