本文關鍵詞：航天產(chǎn)品性能樣機分布式協(xié)同建模與仿真技術研究

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【摘要】：大型復雜航天產(chǎn)品性能樣機技術是當前具有挑戰(zhàn)性和高難度的研究課題,成為工業(yè)和學術界的研究熱點。它的設計通常由幾百個單位參與論證、設計、制造、試驗、使用、保障和管理。目前,由于性能樣機的定量描述和建模理論與技術尚不成熟,以超聲速飛航武器為代表的大型復雜航天產(chǎn)品面臨著地面實驗條件模擬難、指標要求高、綜合集成性差、建模與仿真難度大、多類目標制導控制一體化優(yōu)化設計技術等一系列關鍵技術需要解決。航天產(chǎn)品性能樣機的研制是個多階段全生命周期的設計過程,包含產(chǎn)品全生命周期內(nèi)零部件及其設備的完整數(shù)字信息模型。而在現(xiàn)有環(huán)境條件下,不同子系統(tǒng)的設計建模、仿真與優(yōu)化采用不同的設計方法,各學科領域模型之間具有不同的依賴關系,不同信息模型在語義層面需要一致表達方法。因此,本文重點研究復雜航天產(chǎn)品性能樣機的分布式協(xié)同建模方法、協(xié)同仿真方法、協(xié)同仿真模型庫的構建方法和協(xié)同仿真優(yōu)化方法,并應用云計算等現(xiàn)代信息化綜合集成技術,實現(xiàn)性能樣機的分布式協(xié)同建模與仿真統(tǒng)一管理。主要體現(xiàn)在:(1)針對航天產(chǎn)品性能樣機的定量描述和建模理論與技術尚不成熟等問題,系統(tǒng)性地提出了UMSLO(Unified-Modeling-Simulation-Library-Optimization)概念模型,并在UMSLO模型的基礎上提出了四級性能樣機的設計過程和協(xié)同建模方法。首先,在對性能樣機協(xié)同設計仿真業(yè)務需求分析的基礎上,結合本體建模方法,提出了一種基于本體元模型的性能樣機協(xié)同概念建模方法。其次,根據(jù)所研究的基于本體的性能樣機建模方法,給出了性能樣機協(xié)同概念建模案例,并采用Protégé工具構建了性能樣機的本體元模型庫。最后,在分析性能樣機協(xié)同建模流程的基礎上,提出了一種基于對象Petri網(wǎng)的性能樣機協(xié)同建模過程動態(tài)建模方法。給出了性能樣機協(xié)同建模工作流模型的形式化定義以及協(xié)同概念建模、功能建模、仿真建模和優(yōu)化建模設計單元的對象Petri網(wǎng)元模型。通過元模型輸入輸出接口動態(tài)描述性能樣機協(xié)同建模與仿真過程。所構建的性能樣機本體元模型庫較好的解決了多學科產(chǎn)品模型的輸出缺失和冗余信息的問題,可以顯式地表達領域知識并促進不同領域之間概念的語義一致性,實現(xiàn)了UMSLO中的M子模型。(2)針對性能樣機仿真系統(tǒng)中多領域元模型統(tǒng)一集成轉換問題,在性能樣機協(xié)同建模方法的基礎上,提出了基于HLA(High Level Architecture)的數(shù)字性能樣機協(xié)同仿真模型。首先,分析了領域本體元模型與聯(lián)邦模型的映射方法。然后,對所構建的不同學科領域的本體元模型進行轉換與集成,提出了本體元模型與HLA對象模型的轉換方法。再次,在本體元模型集成方法的基礎上,進一步實現(xiàn)了本體元模型與HLA對象模型的轉換方法,通過本體元模型集成與轉換案例分析了各學科領域本體概念匹配過程。最后,以所構建的性能樣機模型為對象,將其六自由度元模型作為復雜系統(tǒng)的應用實例,進行超聲速飛行器性能樣機(Performance Digital Mock-Up of Hypersonic Vehicle,HV-PDMU)的建模,提出了HV-PDMU模型整體結構和HV-PDMU聯(lián)邦仿真實現(xiàn)過程,并設計基于Pertri網(wǎng)的HLA仿真模型。所研究的模型減少了HLA仿真模型中冗余的數(shù)據(jù)傳輸、提高模型運行速度,解決了HLA仿真系統(tǒng)中多領域元模型統(tǒng)一集成轉換問題,實現(xiàn)了UMSLO模型中的S子模型。(3)為了實現(xiàn)各學科仿真模型的有效積累和重用,運用數(shù)據(jù)庫和元模型共享技術,建立可重用的仿真模型庫,分析了性能樣機協(xié)同仿真模型庫的層次框架,劃分為頂層系統(tǒng)仿真模型、領域主模型和元模型,并給出了性能樣機協(xié)同仿真全生命周期數(shù)據(jù)共享技術,實現(xiàn)了UMSLO模型中的L子模型。(4)針對性能樣機協(xié)同建模與仿真過程中的多學科耦合與多目標優(yōu)化問題,引入混合軟計算方法,提出了性能樣機多學科協(xié)同仿真優(yōu)化模型。首先,在分析了性能樣機多學科協(xié)同設計與優(yōu)化建模方法的基礎上,構建了超聲速飛行器性能樣機不同學科之間的數(shù)據(jù)分析關系與耦合關系表達模型。然后,在多目標優(yōu)化遺傳算法和粒子群算法的基礎上,提出了多目標粒子群遺傳混合優(yōu)化算法(Multi-objective Particle Swarm Optimization-Genetic Algorithm,MOPSOGA),在構建的性能樣機模型和HV-PDMU模型的基礎上,應用MOPSOGA算法,對性能樣機氣動推進一體化、外形氣動一體化以及HLA仿真系統(tǒng)的可靠性指標分配進行了多目標優(yōu)化設計。所提出的算法能夠在設計候選解中求得Pareto優(yōu)化解,較好的實現(xiàn)了性能樣機多學科中的元模型性能目標綜合優(yōu)化與方案評價,實現(xiàn)了UMSLO中的O子模型。(5)針對性能樣機全生命周期協(xié)同建模與仿真過程中管理系統(tǒng)綜合集成性差的問題,構建了性能樣機協(xié)同建模與仿真原型系統(tǒng)。首先,在分析系統(tǒng)總體結構設計的基礎上,對建模任務管理功能需求、建模流程管理功能需求、模型設計管理功能需求、產(chǎn)品本體庫管理功能需求、協(xié)同仿真管理功能需求和協(xié)同建模系統(tǒng)平臺管理功能需求進行了分析與設計。然后,建立了原型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫概念模型和物理模型。所構建的平臺較好地解決了性能樣機全生命周期統(tǒng)一建模與仿真以及不同人員、不同工具、不同算法、不同描述語言下的耦合建模、聯(lián)合仿真問題,實現(xiàn)了UMSLO中的U子模型。以上所提方法的有效性均通過winged-cone高超聲速概念飛行器應用實例進行了驗證。
【關鍵詞】：性能樣機 協(xié)同建模與仿真 仿真模型庫 航天產(chǎn)品 協(xié)同優(yōu)化 多目標優(yōu)化 協(xié)同集成
【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V42;TP391.9
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-16
• 第1章 緒論16-30
• 1.1 研究背景及意義16-18
• 1.2 國內(nèi)外研究綜述18-26
• 1.2.1 性能樣機技術研究文獻綜述18-22
• 1.2.2 性能樣機協(xié)同建模與仿真方法綜述22-24
• 1.2.3 性能樣機多學科優(yōu)化方法綜述24-25
• 1.2.4 存在的主要問題25-26
• 1.3 課題來源26
• 1.4 本文主要工作26-30
• 1.4.1 研究內(nèi)容及方法26-28
• 1.4.2 全文章節(jié)安排及內(nèi)容概要28-30
• 第2章 航天產(chǎn)品性能樣機協(xié)同設計支撐環(huán)境分析30-46
• 2.1 性能樣機多學科協(xié)同設計過程綜合集成分析30-31
• 2.2 性能樣機協(xié)同設計模型分析31-34
• 2.2.1 性能樣機建模與仿真集成模型31-32
• 2.2.2 性能樣機協(xié)同設計業(yè)務流程分析32-34
• 2.3 性能樣機多學科協(xié)同設計與建模過程34-36
• 2.4 性能樣機建模與仿真支撐環(huán)境的關鍵技術分析36-42
• 2.4.1 多學科領域協(xié)同建模技術36-39
• 2.4.2 系統(tǒng)工程領域建模語言技術39
• 2.4.3 多學科優(yōu)化設計技術39-40
• 2.4.4 性能樣機高層建模與仿真技術40-41
• 2.4.5 分布式協(xié)同仿真技術41-42
• 2.5 性能樣機的實現(xiàn)關鍵技術分析42-43
• 2.6 本章總結43-46
• 第3章 航天產(chǎn)品性能樣機多學科協(xié)同建模46-88
• 3.1 性能樣機功能的劃分及設計流程分析46-47
• 3.2 基于本體的性能樣機協(xié)同建模47-52
• 3.2.1 性能樣機技術對建模語言的基本要求48
• 3.2.2 本體建模的構建方法48-50
• 3.2.3 本體元模型的分析過程50
• 3.2.4 本體元模型建模語言50-52
• 3.3 基于本體元模型的性能樣機協(xié)同概念建模52-55
• 3.3.1 基于本體元模型的復雜系統(tǒng)建模52-53
• 3.3.2 本體元模型的構建53-55
• 3.4 基于本體元模型的性能樣機協(xié)同概念建模案例55-65
• 3.4.1 性能樣機領域本體的規(guī)劃55-56
• 3.4.2 性能樣機領域本體的設計56-60
• 3.4.3 性能樣機領域本體的實現(xiàn)60-62
• 3.4.4 高超聲速飛行器本體OWL描述62-65
• 3.5 性能樣機本體庫的構建65-66
• 3.5.1 性能樣機本體庫存儲方法65-66
• 3.5.2 性能樣機關系數(shù)據(jù)庫建模66
• 3.6 基于Petri網(wǎng)的性能樣機協(xié)同動態(tài)建模過程66-83
• 3.6.1 過程建模方法Petri網(wǎng)分析67-70
• 3.6.2 性能樣機協(xié)同建模工作流模型的形式化定義70-73
• 3.6.3 性能樣機協(xié)同概念建模設計單元的對象Petri網(wǎng)元模型定義73-74
• 3.6.4 性能樣機協(xié)同功能建模設計單元的對象Petri網(wǎng)元模型定義74-79
• 3.6.5 性能樣機協(xié)同HLA仿真建模設計單元的對象Petri網(wǎng)元模型定義79-80
• 3.6.6 性能樣機多學科協(xié)同優(yōu)化建模設計單元的對象Petri網(wǎng)元模型定義80-83
• 3.7 基于有色Petri網(wǎng)的性能樣機協(xié)同設計案例83-86
• 3.7.1 有色Petri網(wǎng)的建模過程83-84
• 3.7.2 基于有色Petri網(wǎng)的性能樣機協(xié)同建模84-86
• 3.8 本章總結86-88
• 第4章 航天產(chǎn)品性能樣機多學科協(xié)同仿真88-120
• 4.1 分布式協(xié)同仿真本體元模型與聯(lián)邦模型的映射88
• 4.2 分布式協(xié)同仿真統(tǒng)一建模過程分析88-90
• 4.3 協(xié)同仿真對象模型90-92
• 4.3.1 分布式協(xié)同仿真對象模型90-92
• 4.3.2 分布式協(xié)同仿真對象模型的組成92
• 4.4 基于本體的協(xié)同仿真對象模型92-95
• 4.5 分布式協(xié)同仿真本體元模型轉換與集成95-102
• 4.5.1 本體元模型的轉換方法95-96
• 4.5.2 本體元模型的本體集成規(guī)則96-97
• 4.5.3 本體模型集成混合算法97-101
• 4.5.4 本體模型集成應用實例101-102
• 4.6 本體元模型與分布式協(xié)同仿真對象模型的轉換102-105
• 4.6.1 本體元模型與FOM的轉換規(guī)則102-103
• 4.6.2 本體元模型集成與轉換案例103-105
• 4.7 基于Pertri網(wǎng)的分布式協(xié)同仿真控制模型設計105-108
• 4.7.1 基于Petri網(wǎng)的分布式協(xié)同仿真中的事件定義105
• 4.7.2 基于Petri網(wǎng)的分布式協(xié)同仿真聯(lián)邦仿真模型105-108
• 4.8 性能樣機分布式協(xié)同仿真模型的實現(xiàn)108-119
• 4.8.1 性能樣機分布式協(xié)同仿真模型結構108-111
• 4.8.2 分布式協(xié)同仿真聯(lián)邦服務的定義111
• 4.8.3 分布式協(xié)同仿真聯(lián)邦對象模型的構建111-113
• 4.8.4 分布式協(xié)同仿真聯(lián)邦成員數(shù)據(jù)交互模型113
• 4.8.5 分布式協(xié)同仿真聯(lián)邦執(zhí)行數(shù)據(jù)的設計113-114
• 4.8.6 分布式協(xié)同仿真聯(lián)邦對象類的發(fā)布與訂閱114-117
• 4.8.7 分布式協(xié)同仿真實現(xiàn)117-119
• 4.9 本章總結119-120
• 第5章 某航天器性能樣機建模及協(xié)同仿真模型庫的構建120-144
• 5.1 構建協(xié)同仿真模型庫的作用與意義120
• 5.2 性能樣機仿真模型的定義120-124
• 5.3 性能樣機元模型仿真庫的構建124-136
• 5.3.1 性能樣機系統(tǒng)模型結構分析124-126
• 5.3.2 性能樣機六自由度仿真元模型的構建126-130
• 5.3.3 性能樣機氣動力系統(tǒng)參數(shù)計算仿真模型130-132
• 5.3.4 性能樣機推進系統(tǒng)參數(shù)計算仿真模型132
• 5.3.5 性能樣機控制系統(tǒng)參數(shù)計算仿真模型132-134
• 5.3.6 性能樣機氣動熱參數(shù)計算仿真模型134-135
• 5.3.7 性能樣機彈道與控制參數(shù)計算仿真模型135-136
• 5.4 性能樣機仿真模型庫數(shù)據(jù)集成管理方法136-141
• 5.4.1 性能樣機協(xié)同仿真模型庫的層次框架分析136-137
• 5.4.2 性能樣機協(xié)同仿真數(shù)據(jù)集成研究137-138
• 5.4.3 性能樣機協(xié)同仿真全生命周期數(shù)據(jù)共享技術138-141
• 5.5 本章總結141-144
• 第6章 航天產(chǎn)品性能樣機協(xié)同建模與仿真優(yōu)化144-172
• 6.1 性能樣機多學科協(xié)同優(yōu)化建模144-146
• 6.1.1 多學科耦合系統(tǒng)144
• 6.1.2 多學科協(xié)同優(yōu)化算法144-146
• 6.1.3 性能樣機MDO協(xié)同建模146
• 6.2 性能樣機多學科協(xié)同優(yōu)化算法146-158
• 6.2.1 多目標優(yōu)化分析146-151
• 6.2.2 多目標優(yōu)化遺傳算法151
• 6.2.3 粒子群算法151-153
• 6.2.4 基于PSO-GA的多目標優(yōu)化混合軟計算模型153-157
• 6.2.5 MOPSOGA算法性能測試及分析157-158
• 6.3 某航天器性能樣機氣動推進一體化多目標優(yōu)化設計158-164
• 6.3.1 多目標模型設計158
• 6.3.2 多目標優(yōu)化模型設計158-159
• 6.3.3 多目標優(yōu)化結果分析159-164
• 6.4 某航天器性能樣機性能樣機外形氣動一體化多目標優(yōu)化設計164-167
• 6.4.1 多目標模型設計164
• 6.4.2 多目標優(yōu)化模型設計164
• 6.4.3 多目標優(yōu)化結果分析164-167
• 6.5 性能樣機協(xié)同仿真系統(tǒng)可靠性指標分配優(yōu)化167-170
• 6.5.1 復雜系統(tǒng)可靠性指標分配理論167
• 6.5.2 分布式協(xié)同仿真系統(tǒng)可靠性指標分配方法167-168
• 6.5.3 基于MOPSOGA的性能樣機系統(tǒng)可靠性分配多目標優(yōu)化168-170
• 6.6 本章總結170-172
• 第7章 航天產(chǎn)品性能樣機協(xié)同建模與仿真平臺架構172-206
• 7.1 復雜航天產(chǎn)品設計單位組織機構分析172-173
• 7.2 性能樣機協(xié)同建模與仿真平臺基礎框架173-175
• 7.2.1 基于云計算的信息化管理發(fā)展架構分析173-174
• 7.2.2 云服務模式分析174-175
• 7.3 性能樣機協(xié)同建模與仿真系統(tǒng)架構設計175-180
• 7.3.1 性能樣機協(xié)同建模與仿真平臺架構175-178
• 7.3.2 系統(tǒng)物理平臺架構的設計178
• 7.3.3 系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境設計178-180
• 7.4 性能樣機協(xié)同建模與仿真系統(tǒng)的分析與設計180-195
• 7.4.1 系統(tǒng)總體結構設計及需求分析180-182
• 7.4.2 建模任務管理功能需求分析與設計182-185
• 7.4.3 建模流程管理功能需求分析與設計185-187
• 7.4.4 模型設計管理功能需求分析與設計187-189
• 7.4.5 產(chǎn)品本體庫管理功能需求分析與設計189-191
• 7.4.6 協(xié)同仿真管理功能需求分析與設計191-193
• 7.4.7 協(xié)同建模系統(tǒng)平臺管理功能需求分析與設計193-195
• 7.5 性能樣機協(xié)同建模與仿真平臺數(shù)據(jù)庫建模與設計195-198
• 7.5.1 性能樣機協(xié)同建模與仿真平臺數(shù)據(jù)庫概念模型設計195-196
• 7.5.2 性能樣機協(xié)同建模與仿真平臺數(shù)據(jù)庫物理模型設計196-198
• 7.6 性能樣機協(xié)同建模與仿真平臺的實現(xiàn)198-205
• 7.6.1 系統(tǒng)集成開發(fā)應用案例198-203
• 7.6.2 性能樣機綜合集成建模與仿真203-205
• 7.6.3 應用效果分析205
• 7.7 本章總結205-206
• 第8章 總結與展望206-210
• 8.1 全文總結206-207
• 8.2 主要創(chuàng)新點207-208
• 8.3 研究展望208-210
• 參考文獻210-226
• 致謝226-228
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的學術論文和參加科研情況228-230
• 1.攻讀博士學位期間發(fā)表的論著228-229
• 2.攻讀博士學位期間的主要科研情況229
• 3.攻讀博士學位期間的獲獎情況229-230
• 附錄230-242
• 附錄 1：航天產(chǎn)品性能樣機頂層系統(tǒng)的OWL形式化代碼230-232
• 附錄 2：用于HV-PDMU聯(lián)邦的FED文件代碼232-234
• 附錄 3：MOPSOGA算法Matlab實現(xiàn)代碼234-242

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本文編號：622676