[发明专利]一种基于矢量代理模型的复杂工程系统可靠性设计方法

说明书

本发明涉及一种基于矢量代理模型的复杂工程系统可靠性设计方法，包括以下步骤：确认复杂工程系统的可靠性设计目标，所述的复杂工程系统的可靠性设计目标大于等于两个，并根据可靠性设计目标确认复杂工程系统的输入参数和响应参数，对复杂工程系统的所有输入参数和响应参数进行混联抽样，建立数据集，确认复杂工程系统的代理模型类型，并根据数据集获取代理模型的获取最优参数矩阵，根据最优参数矩阵确定可靠性设计目标的矢量代理模型，根据可靠性设计目标的矢量代理模型对复杂工程系统进行可靠性设计。与现有技术相比，本发明避免了传统方法对多各目标单独建模分析，有效提高复杂工程系统的代理模型建立的效率和准确性。

技术领域

本发明涉及复杂工程系统可靠性设计领域，尤其是涉及一种基于矢量代理模型的复杂工程系统可靠性设计方法。

背景技术

复杂的工程系统或机械系统往往由多个构件组成，如燃气涡轮发动机转子结构系统就是由主轴、轮盘、叶片组成，涡轮叶尖间隙就是由涡轮盘、叶片、机匣等结构装配而成，由其装配关系决定。这些结构在复杂多物理场中工作，受到振动、结构、气动、热等载荷作用。即便单个构件在多载荷下往往涉及多种失效模式，如涡轮叶片失效经常涉及到应力、应变、变形、疲劳等多种失效模式的分析。可见，诸如这些结构的优化与可靠性设计总涉及到多目标、多学科的复杂分析问题，其本质就是多目标设计问题，广泛存在于航空、航天、航海、工业、土建等工程领域中很多工程系统优化与设计当中。

工程系统多目标优化与可靠性设计还涉及到多变量参数(超参数)、分析目标与输入参数之间的高度非线性(高非线性)、大规模优化参数、大量循环迭代等问题。如果基于有限元模型，直接对工程结构进行优化与设计，计算载荷极大，现有的一般计算平台无法承受如此大的计算负担，以至于设计效率无法接受，甚至无法实现。为了改善计算效率，用代理模型替代真实结构模型(如有限元模型)进行分析设计，是目前研究复杂结构多目标分析的惯用方法。

采用代理模型实现多目标优化与可靠性设计的惯用做法是：先将结构系统的“大”模型，按照设计目标，分解为多个目标的“小”模型，对“小”模型分别建立独立的代理模型进行设计分析；然后将各个目标的“小”模型分析结果协调起来，处理“大”模型的设计分析问题。在分析过程中，单目标分析所涉及的设计参数有所减少、非线性有所降低，再结合相关抽样、建模、仿真等技术，能在一定程度上保证单目标的建模精度。

然而，工程系统设计分析的有效性直接与各个设计目标设计分析息息相关，并由单目标分析结果所决定。上述基于代理模型的多目标优化与可靠性设计的惯用方法，由于在处理设计参数之间的耦合性、分析目标之间的相关性和分析结果的协同性等问题时存在明显不足，严重影响了整体“大”模型设计分析的精度和效率，具体原因为：(1)相对于整体模型分析，单个目标的单独设计分析一般仅涉及到整体系统的部分设计参数，分析时没有有效考虑单目标参数与整体参数之间的关系，削弱了设计参数之间的耦合性和相关性，从而引起单目标设计精度问题，进而影响整体系统的设计精度；(2)单个目标的分析，不能有效地考虑设计目标之间的相关性和所建模型参数间的相关性，很难做到各个目标设计过程的协同性(同步性)，也大大影响了整体系统的设计精度；(3)该方法需要对每个设计目标分别抽样、建模、仿真，再对仿真结果进行协同分析来处理整体结构设计，整个设计过程单独进行，整体结构设计比较繁琐、消耗时间长、设计效率低。

可见，以上三方面严重影响了系统设计分析的有效性。为了解决这些问题，大多研究者处理参数之间的耦合性和相关性的做法是，基于工程经验给各个参数分配相关权重。该方法虽然一定程度上考虑了设计参数和目标之间相关性和耦合性，但是这种方法严重依赖于工程经验和人的主观因素，并且仍然无法处理分析过程的同步性问题，以至于复杂工程系统/结构设计精度仍然难以得到保证。对于这种多目标优化与可靠性设计的惯用做法，目前还没有合理有效的方法来处理所提到的耦合性、相关性和协同性等问题。因此，急需提出更有效的多目标优化与可靠性设计方法，来解决设计参数间的耦合性、分析目标间的相关性和分析过程的同步性带来的设计精度和效率问题。

发明内容