不确定性设计优化理论与方法研究

系统地开展了不确定性设计优化理论与方法研究,定义了设计不确定性、设计稳健性和设计可靠性等概念,阐述了不确定性设计优化理论体系框架,建立了不确定性设计优化模型,提出了解决不确定性设计优化建模、求解和计算复杂性问题的有效途径。

复杂机械系统时变不确定性设计方法

考虑机械系统参数随时间的演化,基于连续时间模型和伊藤引理,推导建立了多参数复杂机械系统时变不确定性计算模型,将系统整体时变不确定性由其漂移函数和波动函数表达,系统漂移函数和波动函数则由底层时变参数的漂移率和波动率决定,从而解析了机械系统时变不确定性设计的原理。与传统方法相比,该多参数复杂机械系统时变不确定性设计方法既可以针对各零件(或子系统)进行时变不确定性设计,也可以建立统一的系统状态方程,针对复杂机械系统进行不确定性设计,并且算得的系统可靠度是动态的,可以预测未来任意时刻的可靠度,从而为系统的未来发展趋势提供先期预警,为设备维护提供指导。通过具体算例,说明了该设计方法的应用。该设计方法具有普适性,可以推广应用于城市公交系统、城市给排水系统、燃气系统、核电系统等的时变不确定性设计和可靠性分析。

基于证据理论的固体火箭发动机不确定性设计

飞行器设计过程中客观存在许多不确定性,包括参数的随机不确定性和可认知不确定性,证据理论可以对上述两类参数不确定性进行建模,得到系统响应概率的不确定性区间并进行飞行器不确定性设计。基于证据理论进行了固体火箭发动机壳体不确定性设计,得到更加合理的设计结果和可靠性概率的不确定性区间,为发动机设计提供了更多的设计依据。

基于概率论与可信性理论的不确定性设计方法

综合应用概率论和可信性理论对随机和可认知混合不确定性参数进行建模,提出了基于概率论和可信性理论的不确定性设计方法。以固体火箭发动机燃烧室壳体不确定性设计为算例,验证了该不确定性设计方法的可行性。实际工程应用中,采用近似方法生成近似模型,将计算复杂的系统响应模型替换为计算简单的近似模型,可大大提高该方法的效率。

飞行器多学科不确定性设计理论概述

设计是充分利用设计知识做出智能决策得到最优解的过程,在基于建模与仿真的飞行器设计过程中,由于客观存在的不确定性,产生基于模型预估结果与真实结果的不一致。飞行器传统设计采用基于串行的确定性设计方法,无法得到性能、可支付性、可靠性、鲁棒性等综合平衡的设计。本文旨在建立飞行器多学科不确定性设计理论,介绍解决飞行器多学科不确定性设计相关计算、组织和不确定性科学处理复杂性问题的方法和基本思想。

基于混合区间可能度的产品结构不确定性设计

针对由制造安装误差等不确定因素导致产品工作性能不确定的问题,提出基于混合区间可能度的产品结构不确定性设计方法。定义了一种混合区间可能度模型,给出基于混合区间可能度模型的区间优化问题转换框架。提出基于自适应策略和天牛须算子的双层嵌套布谷鸟算法,利用测试函数对比所提算法与基本布谷鸟算法(CS)、自适应布谷鸟算法(ACS)、改进布谷鸟算法(ICS)、动态布谷鸟算法(DCS)4种算法的寻优性能。在此基础上,以安全钳、十杆桁架及悬臂梁3个工程实际设计问题为例,验证了所提出方法的可行性与有效性。

高端海洋工程装备确定性设计方法研究

海洋工程是国家新兴战略型产业,目前,高端海洋工程装备关键技术几乎掌握在欧洲与美洲发达国家、新加坡、日本、韩国手中,为快速提升中国在高端海洋工程装备技术领域的实力,需要找到创新型方法和途径。确定性设计方法在兼容并蓄海内外设计经验的同时,有利于国内研究院所和各海洋工程承包商迅速掌握海洋工程装备核心技术,突破国外技术枷锁,迅速积累高端海洋工程装备设计经验,为进一步开拓海洋工程装备市场奠定基础。

确定性筛选设计在Purcise Q膜纯化抗体的应用

目的:通过确定性筛选设计(DSD)方法建立单抗的Purcise Q膜阴离子交换工艺,进一步降低残留宿主细胞蛋白(HCP)含量。方法:将亲和层析洗脱过滤液作为样品,进行Purcise Q膜层析,选取上样pH、上样电导、载量、流速、峰收集条件5个因子为输入因子,以回收率、HCP去除率、多聚体含量为输出响应值,使用确定性筛选设计DOE模型进行实验。结果:在实验参数范围内,多聚体含量没有明显的变化,HCP含量显著降低。上样电导和载量显著影响HCP去除率,而载量、流速和峰收集条件则显著影响层析回收率。利用JMP的模拟实验功能获得了稳健工艺参数组合(上样电导3 ms/cm、载量300 g/L、流速25 MV/min、峰收集50 mAU/mm),进一步利用决策树机器学习方法自动获得设计空间(上样电导3.0~3.6 ms/cm、载量300~460 g/L、流速5~25 MV/min、峰收集50~180 mAU/mm)。结论:确定性筛选设计实验方法适用于膜层析的工艺开发,能够一段式快速获得稳健工艺参数组合和设计空间,对于工艺放大、工艺转移和降低生产风险极具指导意义。

飞行器总体不确定性建模与优化设计方法

针对考虑不确定性的飞行器总体设计迭代周期长、优化困难等问题,提出一种基于裕度量化解耦策略的飞行器总体不确定性建模与优化设计方法。首先采用主动学习策略开展基于优化加点Kriging的阈值不确定性分析,实现了不确定性裕度的高效求解。进而提出一种适用于飞行器总体设计的裕度量化解耦策略,将双层嵌套的不确定性优化问题解耦为确定性优化与不确定性分析过程顺序执行,高效给出满足概率约束的优化设计方案。该方法解决了传统解耦方法采用嵌入式算法而导致的工程应用困难的问题。通过非线性多约束数值案例以及滑翔飞行器工程案例,验证了该方法能够在保证精度的前提下,提高不确定性优化设计效率。

基于确定性筛选设计优化五味消毒饮多成分定量指纹图谱

目的采用确定性筛选设计建立五味消毒饮多成分定量指纹图谱分析方法。方法采用确定性筛选设计,以流动相梯度条件、体积流量、柱温为影响因素,指标成分峰分离度、对称因子为评价指标,采用逐步回归法建立评价指标与影响因素的定量模型。结果体积流量和柱温对指纹图谱的影响为极显著(P<0.01),优化后的空间范围为体积流量0.97~1.07 mL/min,柱温24.7~29℃。优化参数后的指纹图谱含共有峰42个,可用于测定紫草氰苷、新绿原酸、单咖啡酰酒石酸、绿原酸、隐绿原酸、秦皮乙素、咖啡酸、菊苣酸、异绿原酸B、异绿原酸A、异绿原酸C、蒙花苷的含量。结论该方法稳定可行,可用于五味消毒饮的指纹图谱和多成分定量检测。

固体火箭发动机装药不确定性优化设计

介绍了不确定性优化设计思想和方法,考虑装药优化设计过程中推进剂性能参数不确定性,开展了固体火箭发动机装药不确定性优化设计研究。采用Powell方法和并行遗传算法组成的混合优化方法,提高了优化问题求解的效率和质量;采用Taylor级数一阶展开近似计算性能参数的均值和均方差,通过可靠性指数计算满足约束条件成功的概率。与确定性优化设计结果相比,不确定性优化设计结果更可靠、更稳健,为固体火箭发动机总体方案设计提供了更好的方法和手段。

装药几何参数不确定性优化设计

介绍了不确定性优化设计思想和方法,考虑药柱变形带来的装药几何参数不确定性,开展大长细比固体助推火箭发动机翼柱型装药几何参数不确定性优化设计研究。采用Powell方法和并行遗传算法组成的混合优化方法提高了优化问题求解的效率和质量,采用泰勒级数一阶展开近似计算性能参数的均值和标准差,通过可靠性指数计算约束条件成功的概率。与确定性优化设计结果相比,不确定性优化设计结果更可靠、更稳健。

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。

基于不确定性MDO的卫星总体优化设计研究

为了提高卫星总体设计质量,对基于不确定性多学科设计优化(UMDO)的卫星总体设计方法进行研究。首先提出了卫星总体的UMDO流程,重点对组织实现UMDO的优化过程进行了深入讨论。然后以某遥感小卫星的总体设计为例,对其UMDO数学问题进行了表述,采用UMDO优化过程对优化问题进行了组织与求解。优化结果表明,通过UMDO方法进行设计优化,能够在提高设计方案目标性能的同时,有效提高方案的稳健性和可靠性,验证了UMDO在卫星总体设计中快速形成稳健、可靠的优化方案的可行性和有效性。

分离模块航天器不确定性多学科设计优化

为了在分离模块航天器研制过程中充分考虑各类不确定性因素的影响,以此对全寿命周期成本、收益以及系统稳健性和灵活性进行综合评价和设计优化,本文对新概念航天器———分离模块航天器概念设计阶段的不确定性多学科设计优化(UMDO)进行了研究。首先,对UMDO方法进行了概述,对分离模块航天器UMDO的主要流程进行了介绍。其次,对分离模块航天器系统的体系结构和评价准则进行了定义,对学科模型、成本模型和收益模型进行了建模,并对其不确定性因素进行了提取和建模。最后以虚拟对地遥感分离模块航天器的概念阶段总体设计为例,对其UMDO数学问题进行了表述,采用UMDO优化过程对优化问题进行了组织与求解。优化结果表明,通过UMDO方法进行设计优化,能够有效提高不确定性因素影响下的设计方案期望净收益及其稳健性,验证了分离模块航天器不确定性多学科设计优化的可行性和有效性。

鱼雷总体多学科不确定性问题研究

现今的设计问题多涉及多学科、多目标和确定性设计,忽视了系统本身的不确定性因素,设计结果通常与实际情况有很大差别。不确定性设计是设计理论发展的一个重要方向。本文综合分析了不确定性的分类、传播和设计,介绍了2种不确定性分析方法--系统不确定性分析方法和并行子系统不确定性分析方法,并对二者做了分析比较。同时指出将不确定性思想引入鱼雷总体多学科设计是鱼雷设计的发展方向。

确定性筛选设计优化一种复合钙制剂的工艺

研制一种适用于孕妇服用的复合钙咀嚼片。采用确定性筛选设计(definitive screening design,DSD),对辅料用量、湿法制粒及总混工艺进行筛选及优化,确定辅料用量和最佳工艺。辅料最佳用量为羧甲基纤维素钠2.00%,聚维酮K30 2.00%,聚维酮水溶液浓度为10.00%,用赤藓糖醇补足配方量;采用湿法制粒,外加维生素D3和叶酸,用三维混合机进行混合。所制得的产品口味较好,甜味适中,香味和硬度适宜,钙、铁、铜、叶酸和维生素D3的含量均匀,质量稳定,易于工业化大生产。

压水堆燃料棒设计参数不确定性研究

采用岭澳二期换料方案使用的功率运行数据,用法玛通的COCCINEL程序对AFA 2G燃料组件设计参数的不确定性进行计算、分析和评价。AFA 2G燃料组件虽已使用了很长时间,并已逐渐被AFA3G燃料组件和Alliance燃料组件所替代,但其燃料棒设计参数不确定性研究结果同样适用于新型燃料组件。作为同一公司的系列产品,这些组件在某些方面具有一定共性,设计参数和所用材料又大致相同,所以,对AFA 2G燃料组件的研究具有一定的典型性。

基于确定性筛选设计优化柑橘皮抗氧化活性成分提取工艺

目的 基于确定性筛选设计优化柑橘皮抗氧化活性成分提取工艺研究。方法 首先采用确定性筛选设计考察料液比、碱用量、醇体积分数、提取次数、提取温度和提取时间6个因素对提取效果的影响。然后,代表性抗氧化活性成分橙皮苷、芸香柚皮苷、圣草次苷的峰面积之和作为评价指标, 6个因素作为变量因素,通过多元回归算法建立定量模型。基于模拟实验测定误差法计算获得关键因素与评价指标之间的设计空间。结果 提取过程中,抗氧化活性成分的关键影响因素有3个,分别为提取次数、提取温度和料液比,并成功验证。该3个因素推荐的操作空间是提取次数为1.5~2.9,提取温度为51~60℃,料液比为30.2:1~35.0:1 (mL:g)。结论 本研究优选了提取工艺涉及的6个参数对抗氧化活性成分提取的影响,推荐的操作空间可使代表性抗氧化活性成分的峰面积达标概率达到0.96以上,为工业化提取柑橘皮抗氧化活性成分提供了参考。

复杂产品不确定性智能设计研究综述与展望

不确定性现象普遍存在于各个设计环节,使得复杂产品的设计过程越来越复杂,正确认识并掌握设计过程中的各种不确定性是复杂产品智能设计取得成功的必要条件。系统梳理了产品设计中的不确定性因素种类与特征,聚焦于不确定性智能设计的设计流程,围绕用户需求不确定性智能分析、功能结构不确定性智能求解、设计方案不确定性智能决策、局部参数不确定性智能优化四个方面,分析了其研究现状与应用场景。针对现有不确定性智能设计中存在的强模糊冗余条件下设计意图难提取、不完全可信条件下功能行为难推理、不完备区间条件下设计方案难决策、混合不确定条件下结构性能难预测等问题,提出了复杂产品不确定性智能设计的未来研究方向。