Device Robust-Design by Using Response Surface Methodology

Device robust-design is inherently a multiple-objective optimization problem.Using design of experiments (DoE) combined with response surface methodology (RSM) can satisfy the great incentive to reduce the number of technology CAD(TCAD) simulations that need to be performed.However,the errors of RSM models might be large enough to diminish the validity of the results for some nonlinear problems.To find the feasible design space,a new method with objectives-oriented design in generations that takes the errors of RSM model into account is presented.After the augment design of experiments in promising space according to the results of RSM model in current generation,the feasible space will be emerging as the model errors deceasing.The results on FIBMOS examples show that the methodology is efficient.

考虑多失效模式的桩锚结构鲁棒性设计及经济性优化

目的 研究岩土力学参数的不确定性对桩锚支护体系的整体影响,探究经济性和鲁棒性共同作用的优化设计。方法 选取黄土地区工程案例,考虑支护桩隆起破坏、支护桩倾覆破坏、整体稳定性破坏三类破坏形式,使用蒙特卡洛及点估计法嵌套的方式求出不同设计组合下的失效概率及标准差;同时考虑优化设计的经济性,筛选出桩锚支护结构体系的鲁棒性优化设计方案。结果 随着桩长增加,主控模式由隆起破坏向整体稳定性改变,不同的几何参数对结构鲁棒性影响不同,优化后可以获得同时满足经济性、鲁棒性及可靠度要求的最佳设计方案。结论 在桩锚结构设计中考虑经济性优化及多失效模式的鲁棒性设计是必要的。

变速条件下流体动压效应稳健性分析

以油膜作为中间介质,对于高速旋转机械传动系统的可靠性、稳定性的提升有显著优势。而高速轴承-转子系统在加工制造和运行过程中,不可避免地存在影响系统承载性能的不确定性因素,影响油膜形状,导致承载性能发生变化,实际工作性能偏离设计目标。以高速动压油膜为研究对象,为掌握几何参数和转速对油膜承载性能波动的影响,进行稳健优化和分析,提取油膜性能稳健优化结果的特征区域。针对传动系统的不同需求,采用计算流体力学方法求解不同转速下的动压滑动轴承油膜压力场,进而求解其主要性能指标:承载力和摩擦功耗。建立研究目标的Kriging近似模型,并在样本点临近区域选择稳健目标计算的子空间,计算目标均值和方差。利用非支配排序遗传算法(NSGA-II)求解不同目标组合的Pareto最优解集。结合自组织映射图(SOM)方法进行相关性分析,提取设计目标与几何参数、转速之间的相关性特征,分析最优特征区域中偏心率对目标稳健性的影响,最终确定稳健性好的特征区域,并选择个别结果进行仿真计算验证。结果表明:所提出的最优性分析方法能够清晰展现出稳健最优性区域在设计空间中的分布情况,便于降低几何参数和转速的波动对油膜性能的影响;所提方法能提升优化设计结果的可实现性,有效促进理论设计与工程实际的衔接。

一种基于信息检测的卫星处理载荷健壮性提升策略

为了以尽量小的代价提升处理载荷的在轨健壮性,提出了一种不增加硬件且工程易实现的策略。该策略引入一种新的信息流设计,在单机间信息传输时插入特殊设计的测量帧,通过该测量帧在处理载荷之间的信息闭环检测实现在轨故障判断与定位,以很小的代价实现单机间完好性监视以便故障快速恢复,提升了在轨处理载荷的可用度和健壮性。仿真结果表明,针对单粒子事件引起的在轨故障,所提策略理论上相比传统方式的检测概率能够提升3~4倍,故障恢复时间能够缩短至1/6以下,配合其他在轨故障处理与快速恢复方法,还可进一步降低单粒子事件对业务的影响。

R32热泵系统稳定性与变工况特性实验研究

实验研究了变热源进口温度工况和变热水进口温度工况下膨胀阀开度对R32热泵系统稳定性和系统性能的影响规律。结果表明:不同工况下系统存在不同的过热度振荡区间,且热源进口温度对起始振荡过热度的影响较显著,而热水进口温度对其影响则不明显;变热源进口温度(15~25℃)工况下,制热量随着过热度的变化呈现不同的变化规律,而其COP则呈现相同的变化规律,且系统均在过热度振荡区间内获得最大COP;变热水进口温度(30~40℃)工况下,制热量和COP均随着过热度的变化呈现相同的变化趋势,且两者均在过热度振荡区间内取得最大值;热源进口温度的升高和热水进口温度的降低均可使系统获得的最大制热量和最大COP增大,且两者在热源进口温度为25℃时分别为9.287 kW和4.646,而在热水进口温度为30℃时则分别为9.148 kW和5.665。

基于MIMO阵列的一体化射频技术研究进展及展望

基于多输入多输出(multiple-input-multiple-output,MIMO)阵列的一体化射频系统通过充分利用空间自由度和波形自由度,不仅能够同时实现雷达探测、数据通信、电子干扰等多种功能,而且具有目标探测可靠性好、参数估计精确度高、反侦察识别能力强等突出特点,在高动态强对抗环境中展现了巨大的潜力。从基于MIMO阵列的一体化射频系统的检测性能分析入手,剖析了一体化射频系统的检测性能极限以及影响检测性能的主要因素;针对MIMO阵列参数高精度估计问题,提出通过单个发射脉冲完成参数估计以及一种增强参数估计精度的波形优化算法;考虑到目标角度估计误差不可避免,提出了一种稳健的一体化波形设计算法;针对杂波环境中一体化射频系统性能下降的问题,提出了发射波形和接收滤波器联合优化算法,该算法不仅能够实现同时多功能,而且有效地抑制了杂波,提高了目标检测性能。最后,展望了一体化射频系统参数估计精度极限、高精度参数估计、稳健波形设计、波形设计算法快速实现等有待突破的信号处理关键技术。

模块化永磁直线同步电机考虑制造公差的推力鲁棒性优化

模块化永磁直线同步电机(MPMLSM)具有效率与推力密度高、可靠性和可加工性好等优点,非常适用于长行程运输系统;缺点是批量生产中性能易受到加工公差的影响。针对这一问题,该文提出了一种考虑制造公差的综合多目标鲁棒优化设计方法。首先,基于六西格玛设计方法建立了鲁棒优化模型;其次,采用拉丁超立方采样方法在尺寸公差范围内根据正态分布规律进行抽样,模拟大规模生产时电机尺寸受公差影响可能会出现的各种变化;再次,在尺寸优化范围内均匀抽样构成足够的训练样本,由有限元软件仿真这些抽样方案的推力性能,并基于反向传播神经网络建立电机设计代理模型;然后,应用该代理模型对拉丁超立方采样得到的样本进行电机性能的计算,求解样本整体对应的各优化目标的均值与方差,进而计算多目标优化的适应度;最后,采用非支配排序遗传算法Ⅱ进行全局优化,得到鲁棒优化方案,与不考虑公差的确定性优化方案相比,验证了该方法的有效性。鲁棒优化方案虽然略微增加了电机体积和推力波动,但是其失效概率低,受公差影响小,更加符合产品批量生产过程中的质量要求。

混合动力装载机复合储能系统6σ稳健设计

复合储能式混合动力装载机可以降低车辆燃油消耗,实现能量高效回收,但由于系统组成较为复杂、装载机工作环境恶劣且存在较多不确定性因素,使得整车运行的经济性无法达到最佳状态。为此,采用6σ稳健优化设计理论,对影响复合储能系统性能的参数进行优化设计,得到可靠性较高的优化参数;在4种常见工况下通过装载机的整车后向仿真模型对6σ算法的优化结果进行验证,发现整车燃油消耗量明显下降,4种工况的平均节油率分别为11.14%、10.30%、10.40%、11.38%;利用dSPACE硬件在环的试验方式验证了仿真结果与试验结果基本一致,误差在0.5 g内,证明6σ优化效果切实有效。

火星六旋翼无人机旋翼气动外形稳健设计与优化

火星大气密度极低、热容小,致使火星的大气压和大气密度伴随着温度大幅度变化,具有较强的不确定性。针对单一大气密度进行旋翼确定性气动设计,可能导致旋翼在非设计点功耗大幅增加,影响火星无人机的正常使用。为了避免上述问题,本文从火星大气环境研究入手,建立火星大气密度概率分布模型。针对应用潜力更大的火星六旋翼无人机,采用黏性涡粒子方法建立火星大气环境下高置信度的旋翼精细化气动模型,并通过快速非支配排序遗传算法Ⅱ开展旋翼气动外形的稳健设计优化。设计得到的旋翼气动外形方案在面对火星大气密度变化时能保持较好的气动性能,且具备更强的稳健性,有利于火星六旋翼无人机在不同大气环境下执行更远距离、更长时间的火星探测任务。

基于Luenberger观测器的不确定系统鲁棒状态反馈设计

针对不确定系统测量输出矩阵含有不确定参数的问题,提出一种基于新龙伯格(Luenberger)类型观测器的鲁棒状态反馈设计方法.首先,针对实践中状态变量难以测量的问题,通过观测状态的反馈来进行观测器设计,考虑不确定系统中测量输出矩阵含有不确定参数的情况,设计一种新龙伯格类型观测器;其次,在新龙伯格类型观测器基础上,结合多仿射表示和松弛变量框架,得到与李亚普诺夫函数相关的凸线性矩阵不等式(LMI)条件,进而对闭环系统进行基于线性矩阵不等式组的鲁棒稳定性分析;最后,通过实验检验上述条件的可行性,证明该方法的实用性和有效性.

基于二阶相位补偿器的LCL型并网逆变器电容电流反馈有源阻尼策略

在控制延时环节的影响下,并网逆变器系统出现了有效阻尼区域过窄的问题。鉴于此,提出在电容电流反馈支路中加入新型二阶相位超前补偿环节,补偿后电容电流反馈有源阻尼(CCFAD)的有效阻尼边界频率从f_(s)/6提高至0.34f_(s)。优化电容电流反馈系数的参数设计方法,并在离散域下分析所提控制策略的闭环极点轨迹。通过与已有策略仿真和实验结果的对比分析,结果表明在电网阻抗增加、滤波器参数宽范围波动的工况下,所提策略具有更高的鲁棒性。

基于轻量化与多目标稳健性的可导向防撞垫设计

为降低防撞垫的成本并提高系统的稳健性,使用拓扑优化得到防撞垫吸能单元在多工况耦合的最优传力路径,通过单因素分析得到对防撞垫性能影响最大的因素。随后,进行基于田口方法的稳健性设计,将多工况问题视为多目标优化问题,获得最优参数尺寸。最后,进行仿真验证并与优化前作比较:优化后满意度提升21%,长度比同类型TS级防撞垫减少1/5。研究为基于混合元胞自动机法的拓扑优化在防撞垫初始形状设计中提供严谨的理论依据,设计方法为处理防撞垫的多工况复杂问题折中简化起到指导作用。

基于Fourier-TOuNN的鲁棒性拓扑优化设计

为推广拓扑优化设计方法的工程应用,需要在设计过程中考虑结构鲁棒性以应对实际工程荷载的随机性。本文基于神经网络提出了鲁棒性结构拓扑优化设计的高效方法。该方法通过优化Fourier-TOuNN神经网络的权值更新描述结构拓扑的密度变量,并引入随机荷载下结构柔顺度平均值和标准差的加权总和作为目标函数,从而定义了随机荷载下的结构鲁棒性优化问题。利用神经网络的自动反向微分功能,实现了优化过程中灵敏度的直接求解。借助Fourier-TOuNN细部尺寸可控特性,可在结构中生成细小支撑以抵抗随机荷载。数值算例表明,采用本文提出的方法可以高效地获得鲁棒性稳健的优化设计结果。

考虑非概率不确定性的复合材料壁板颤振可靠性优化方法

不确定因素普遍存在于气动弹性系统的优化设计中,但传统气动弹性优化设计技术并未考虑材料属性、大气环境、几何尺寸等不确定因素,存在最优化目标对设计参数变化敏感,也可能会发生预期之外的颤振失效。基于此,本文通过对传统优化模型中目标函数的鲁棒性处理和对约束条件的可靠性处理,发展了计及可靠性与鲁棒性的区间优化模型,并将该优化模型应用于气动弹性系统的优化设计中。针对超声速气流下的复合材料层合板和蜂窝夹层板结构进行了考虑不确定性的颤振优化设计,在满足颤振约束指标的条件下,实现了结构减重的设计目标。

基于Kriging元模型的多级供应链稳健优化设计

由于多级供应链的结构复杂性和目标多重性,不确定性因素对其整体绩效的影响不可忽视。为了估量不确定性因素对其整体绩效的影响,首先,将arena仿真和Kriging元建模技术相融合,基于稳健参数设计的思想,构建多个绩效响应指标的均值和标准差Kriging元模型;其次,借助已构建的Kriging元模型和满意度函数法,构建基于Kriging元模型的稳健综合满意度优化设计策略;最后,采用非参数bootstrap重复方法刻画不确定因素对稳健优化解的影响,并与基于多项式元模型的稳健优化方法进行比较分析,仿真验证了所提方法的有效性和稳健性。结果表明,所提方法能够有效解决不确定条件下具有多绩效响应指标的多级供应链的稳健优化设计,在保证供应链系统达到期望最优绩效的同时,尽可能地降低不确定性因素对供应链绩效的影响,为多级供应链的稳健运营提供一定的理论依据和决策参考。

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。

概率基多目标优化在化工机械正交试验及稳健设计中的应用

将概率基多目标优化方法与正交试验设计、稳健性设计结合起来,得到概率基多目标正交试验设计和稳健性设计优化方法,并应用于3种化工过程和装置的多目标优化中,即:管壳式换热器折流板结构参数、降黏聚结一体化装置、等距螺旋锥齿轮MIM工艺参数。结果表明,概率基多目标优化方法合理、方便易行,可广泛应用。

基于稳健设计的汽车尾灯罩注塑工艺优化

以某汽车尾灯罩的翘曲变形量为主要优化目标,应用Moldflow软件,采用稳健设计的方法,结合随形冷却水道设计,对汽车尾灯罩注塑工艺参数进行优化,确定模具温度、熔体温度、注射时间、冷却时间、速度/压力转换作为参数,得到了各工艺参数的最优组合为:模具温度75℃,熔体温度250℃,注射时间1.8 s,冷却时间12.0 s,速度/压力转换100%。结合随形冷却水道的设计模拟优化后,翘曲变形量由最初的0.4118 mm优化为0.1544 mm,翘曲变形量减少了62.51%,说明稳健设计方法结合随形冷却水道设计对提升复杂零部件产品质量起到了重要作用。

高渗透率下一种提高LCL滤波并网逆变器鲁棒性的新型锁相环设计方案

高渗透率下LCL滤波并网逆变器可能因锁相环与电网阻抗的交互影响而引发系统失稳问题。基于上述背景,首先建立考虑电网阻抗影响时的锁相环等效控制框图,利用锁相环输出相角与扰动量之间的函数关系揭示系统鲁棒性下降的主要原因,剖析传统前置滤波器锁相环存在的主要弊端。鉴于此,从优化锁相环控制结构角度考虑,提出一种新型锁相环设计方案,并对所提锁相环的等效传递函数进行推导,同时通过设计示例给出具体的参数设计方法。理论分析表明,所提新型锁相环拥有和传统前置二阶低通滤波器锁相环相同的谐波衰减特性,系统鲁棒性得到保证,并且无需额外的相位补偿环节即可实现并网公共点单位功率因数入网。最后,通过仿真和实验结果验证所提新型锁相环设计方案的有效性。

电磁式漏电保护特性影响因素分析及其稳健性设计

电磁式漏电保护是一种重要的漏电故障保护技术,其漏电保护特性受元器件参数影响大,导致批量生产工艺要求高、生产成本较高。该文针对电磁式漏电保护特性不稳定性问题开展研究。首先,分析漏电检测电路的工作原理,确定剩余电流互感器与补偿电容、补偿电阻之间的耦合关系;其次,分析剩余电流互感器铁心磁参数与漏电检测电路参数对漏电保护特性的影响,为剩余电流互感器及漏电检测电路的参数匹配设计提供依据;最后,分析补偿电容容差与剩余电流互感器铁心磁参数分散性对漏电保护特性稳健性的影响,确定铁心材料磁参数与漏电检测电路参数的匹配关系,进行剩余电流互感器及漏电检测电路参数的匹配设计,降低了元器件参数分散性对漏电保护特性的影响。