航天产品性能样机分布式协同建模与仿真技术研究

发布时间：2017-08-05 02:05

  本文关键词：航天产品性能样机分布式协同建模与仿真技术研究

  更多相关文章： 性能样机 协同建模与仿真 仿真模型库 航天产品 协同优化 多目标优化 协同集成

【摘要】：大型复杂航天产品性能样机技术是当前具有挑战性和高难度的研究课题,成为工业和学术界的研究热点。它的设计通常由几百个单位参与论证、设计、制造、试验、使用、保障和管理。目前,由于性能样机的定量描述和建模理论与技术尚不成熟,以超声速飞航武器为代表的大型复杂航天产品面临着地面实验条件模拟难、指标要求高、综合集成性差、建模与仿真难度大、多类目标制导控制一体化优化设计技术等一系列关键技术需要解决。航天产品性能样机的研制是个多阶段全生命周期的设计过程,包含产品全生命周期内零部件及其设备的完整数字信息模型。而在现有环境条件下,不同子系统的设计建模、仿真与优化采用不同的设计方法,各学科领域模型之间具有不同的依赖关系,不同信息模型在语义层面需要一致表达方法。因此,本文重点研究复杂航天产品性能样机的分布式协同建模方法、协同仿真方法、协同仿真模型库的构建方法和协同仿真优化方法,并应用云计算等现代信息化综合集成技术,实现性能样机的分布式协同建模与仿真统一管理。主要体现在:(1)针对航天产品性能样机的定量描述和建模理论与技术尚不成熟等问题,系统性地提出了UMSLO(Unified-Modeling-Simulation-Library-Optimization)概念模型,并在UMSLO模型的基础上提出了四级性能样机的设计过程和协同建模方法。首先,在对性能样机协同设计仿真业务需求分析的基础上,结合本体建模方法,提出了一种基于本体元模型的性能样机协同概念建模方法。其次,根据所研究的基于本体的性能样机建模方法,给出了性能样机协同概念建模案例,并采用Protégé工具构建了性能样机的本体元模型库。最后,在分析性能样机协同建模流程的基础上,提出了一种基于对象Petri网的性能样机协同建模过程动态建模方法。给出了性能样机协同建模工作流模型的形式化定义以及协同概念建模、功能建模、仿真建模和优化建模设计单元的对象Petri网元模型。通过元模型输入输出接口动态描述性能样机协同建模与仿真过程。所构建的性能样机本体元模型库较好的解决了多学科产品模型的输出缺失和冗余信息的问题,可以显式地表达领域知识并促进不同领域之间概念的语义一致性,实现了UMSLO中的M子模型。(2)针对性能样机仿真系统中多领域元模型统一集成转换问题,在性能样机协同建模方法的基础上,提出了基于HLA(High Level Architecture)的数字性能样机协同仿真模型。首先,分析了领域本体元模型与联邦模型的映射方法。然后,对所构建的不同学科领域的本体元模型进行转换与集成,提出了本体元模型与HLA对象模型的转换方法。再次,在本体元模型集成方法的基础上,进一步实现了本体元模型与HLA对象模型的转换方法,通过本体元模型集成与转换案例分析了各学科领域本体概念匹配过程。最后,以所构建的性能样机模型为对象,将其六自由度元模型作为复杂系统的应用实例,进行超声速飞行器性能样机(Performance Digital Mock-Up of Hypersonic Vehicle,HV-PDMU)的建模,提出了HV-PDMU模型整体结构和HV-PDMU联邦仿真实现过程,并设计基于Pertri网的HLA仿真模型。所研究的模型减少了HLA仿真模型中冗余的数据传输、提高模型运行速度,解决了HLA仿真系统中多领域元模型统一集成转换问题,实现了UMSLO模型中的S子模型。(3)为了实现各学科仿真模型的有效积累和重用,运用数据库和元模型共享技术,建立可重用的仿真模型库,分析了性能样机协同仿真模型库的层次框架,划分为顶层系统仿真模型、领域主模型和元模型,并给出了性能样机协同仿真全生命周期数据共享技术,实现了UMSLO模型中的L子模型。(4)针对性能样机协同建模与仿真过程中的多学科耦合与多目标优化问题,引入混合软计算方法,提出了性能样机多学科协同仿真优化模型。首先,在分析了性能样机多学科协同设计与优化建模方法的基础上,构建了超声速飞行器性能样机不同学科之间的数据分析关系与耦合关系表达模型。然后,在多目标优化遗传算法和粒子群算法的基础上,提出了多目标粒子群遗传混合优化算法(Multi-objective Particle Swarm Optimization-Genetic Algorithm,MOPSOGA),在构建的性能样机模型和HV-PDMU模型的基础上,应用MOPSOGA算法,对性能样机气动推进一体化、外形气动一体化以及HLA仿真系统的可靠性指标分配进行了多目标优化设计。所提出的算法能够在设计候选解中求得Pareto优化解,较好的实现了性能样机多学科中的元模型性能目标综合优化与方案评价,实现了UMSLO中的O子模型。(5)针对性能样机全生命周期协同建模与仿真过程中管理系统综合集成性差的问题,构建了性能样机协同建模与仿真原型系统。首先,在分析系统总体结构设计的基础上,对建模任务管理功能需求、建模流程管理功能需求、模型设计管理功能需求、产品本体库管理功能需求、协同仿真管理功能需求和协同建模系统平台管理功能需求进行了分析与设计。然后,建立了原型系统的数据库概念模型和物理模型。所构建的平台较好地解决了性能样机全生命周期统一建模与仿真以及不同人员、不同工具、不同算法、不同描述语言下的耦合建模、联合仿真问题,实现了UMSLO中的U子模型。以上所提方法的有效性均通过winged-cone高超声速概念飞行器应用实例进行了验证。
【关键词】：性能样机 协同建模与仿真 仿真模型库 航天产品 协同优化 多目标优化 协同集成
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V42;TP391.9
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-16
• 第1章 绪论16-30
• 1.1 研究背景及意义16-18
• 1.2 国内外研究综述18-26
• 1.2.1 性能样机技术研究文献综述18-22
• 1.2.2 性能样机协同建模与仿真方法综述22-24
• 1.2.3 性能样机多学科优化方法综述24-25
• 1.2.4 存在的主要问题25-26
• 1.3 课题来源26
• 1.4 本文主要工作26-30
• 1.4.1 研究内容及方法26-28
• 1.4.2 全文章节安排及内容概要28-30
• 第2章 航天产品性能样机协同设计支撑环境分析30-46
• 2.1 性能样机多学科协同设计过程综合集成分析30-31
• 2.2 性能样机协同设计模型分析31-34
• 2.2.1 性能样机建模与仿真集成模型31-32
• 2.2.2 性能样机协同设计业务流程分析32-34
• 2.3 性能样机多学科协同设计与建模过程34-36
• 2.4 性能样机建模与仿真支撑环境的关键技术分析36-42
• 2.4.1 多学科领域协同建模技术36-39
• 2.4.2 系统工程领域建模语言技术39
• 2.4.3 多学科优化设计技术39-40
• 2.4.4 性能样机高层建模与仿真技术40-41
• 2.4.5 分布式协同仿真技术41-42
• 2.5 性能样机的实现关键技术分析42-43
• 2.6 本章总结43-46
• 第3章 航天产品性能样机多学科协同建模46-88
• 3.1 性能样机功能的划分及设计流程分析46-47
• 3.2 基于本体的性能样机协同建模47-52
• 3.2.1 性能样机技术对建模语言的基本要求48
• 3.2.2 本体建模的构建方法48-50
• 3.2.3 本体元模型的分析过程50
• 3.2.4 本体元模型建模语言50-52
• 3.3 基于本体元模型的性能样机协同概念建模52-55
• 3.3.1 基于本体元模型的复杂系统建模52-53
• 3.3.2 本体元模型的构建53-55
• 3.4 基于本体元模型的性能样机协同概念建模案例55-65
• 3.4.1 性能样机领域本体的规划55-56
• 3.4.2 性能样机领域本体的设计56-60
• 3.4.3 性能样机领域本体的实现60-62
• 3.4.4 高超声速飞行器本体OWL描述62-65
• 3.5 性能样机本体库的构建65-66
• 3.5.1 性能样机本体库存储方法65-66
• 3.5.2 性能样机关系数据库建模66
• 3.6 基于Petri网的性能样机协同动态建模过程66-83
• 3.6.1 过程建模方法Petri网分析67-70
• 3.6.2 性能样机协同建模工作流模型的形式化定义70-73
• 3.6.3 性能样机协同概念建模设计单元的对象Petri网元模型定义73-74
• 3.6.4 性能样机协同功能建模设计单元的对象Petri网元模型定义74-79
• 3.6.5 性能样机协同HLA仿真建模设计单元的对象Petri网元模型定义79-80
• 3.6.6 性能样机多学科协同优化建模设计单元的对象Petri网元模型定义80-83
• 3.7 基于有色Petri网的性能样机协同设计案例83-86
• 3.7.1 有色Petri网的建模过程83-84
• 3.7.2 基于有色Petri网的性能样机协同建模84-86
• 3.8 本章总结86-88
• 第4章 航天产品性能样机多学科协同仿真88-120
• 4.1 分布式协同仿真本体元模型与联邦模型的映射88
• 4.2 分布式协同仿真统一建模过程分析88-90
• 4.3 协同仿真对象模型90-92
• 4.3.1 分布式协同仿真对象模型90-92
• 4.3.2 分布式协同仿真对象模型的组成92
• 4.4 基于本体的协同仿真对象模型92-95
• 4.5 分布式协同仿真本体元模型转换与集成95-102
• 4.5.1 本体元模型的转换方法95-96
• 4.5.2 本体元模型的本体集成规则96-97
• 4.5.3 本体模型集成混合算法97-101
• 4.5.4 本体模型集成应用实例101-102
• 4.6 本体元模型与分布式协同仿真对象模型的转换102-105
• 4.6.1 本体元模型与FOM的转换规则102-103
• 4.6.2 本体元模型集成与转换案例103-105
• 4.7 基于Pertri网的分布式协同仿真控制模型设计105-108
• 4.7.1 基于Petri网的分布式协同仿真中的事件定义105
• 4.7.2 基于Petri网的分布式协同仿真联邦仿真模型105-108
• 4.8 性能样机分布式协同仿真模型的实现108-119
• 4.8.1 性能样机分布式协同仿真模型结构108-111
• 4.8.2 分布式协同仿真联邦服务的定义111
• 4.8.3 分布式协同仿真联邦对象模型的构建111-113
• 4.8.4 分布式协同仿真联邦成员数据交互模型113
• 4.8.5 分布式协同仿真联邦执行数据的设计113-114
• 4.8.6 分布式协同仿真联邦对象类的发布与订阅114-117
• 4.8.7 分布式协同仿真实现117-119
• 4.9 本章总结119-120
• 第5章 某航天器性能样机建模及协同仿真模型库的构建120-144
• 5.1 构建协同仿真模型库的作用与意义120
• 5.2 性能样机仿真模型的定义120-124
• 5.3 性能样机元模型仿真库的构建124-136
• 5.3.1 性能样机系统模型结构分析124-126
• 5.3.2 性能样机六自由度仿真元模型的构建126-130
• 5.3.3 性能样机气动力系统参数计算仿真模型130-132
• 5.3.4 性能样机推进系统参数计算仿真模型132
• 5.3.5 性能样机控制系统参数计算仿真模型132-134
• 5.3.6 性能样机气动热参数计算仿真模型134-135
• 5.3.7 性能样机弹道与控制参数计算仿真模型135-136
• 5.4 性能样机仿真模型库数据集成管理方法136-141
• 5.4.1 性能样机协同仿真模型库的层次框架分析136-137
• 5.4.2 性能样机协同仿真数据集成研究137-138
• 5.4.3 性能样机协同仿真全生命周期数据共享技术138-141
• 5.5 本章总结141-144
• 第6章 航天产品性能样机协同建模与仿真优化144-172
• 6.1 性能样机多学科协同优化建模144-146
• 6.1.1 多学科耦合系统144
• 6.1.2 多学科协同优化算法144-146
• 6.1.3 性能样机MDO协同建模146
• 6.2 性能样机多学科协同优化算法146-158
• 6.2.1 多目标优化分析146-151
• 6.2.2 多目标优化遗传算法151
• 6.2.3 粒子群算法151-153
• 6.2.4 基于PSO-GA的多目标优化混合软计算模型153-157
• 6.2.5 MOPSOGA算法性能测试及分析157-158
• 6.3 某航天器性能样机气动推进一体化多目标优化设计158-164
• 6.3.1 多目标模型设计158
• 6.3.2 多目标优化模型设计158-159
• 6.3.3 多目标优化结果分析159-164
• 6.4 某航天器性能样机性能样机外形气动一体化多目标优化设计164-167
• 6.4.1 多目标模型设计164
• 6.4.2 多目标优化模型设计164
• 6.4.3 多目标优化结果分析164-167
• 6.5 性能样机协同仿真系统可靠性指标分配优化167-170
• 6.5.1 复杂系统可靠性指标分配理论167
• 6.5.2 分布式协同仿真系统可靠性指标分配方法167-168
• 6.5.3 基于MOPSOGA的性能样机系统可靠性分配多目标优化168-170
• 6.6 本章总结170-172
• 第7章 航天产品性能样机协同建模与仿真平台架构172-206
• 7.1 复杂航天产品设计单位组织机构分析172-173
• 7.2 性能样机协同建模与仿真平台基础框架173-175
• 7.2.1 基于云计算的信息化管理发展架构分析173-174
• 7.2.2 云服务模式分析174-175
• 7.3 性能样机协同建模与仿真系统架构设计175-180
• 7.3.1 性能样机协同建模与仿真平台架构175-178
• 7.3.2 系统物理平台架构的设计178
• 7.3.3 系统集成开发环境设计178-180
• 7.4 性能样机协同建模与仿真系统的分析与设计180-195
• 7.4.1 系统总体结构设计及需求分析180-182
• 7.4.2 建模任务管理功能需求分析与设计182-185
• 7.4.3 建模流程管理功能需求分析与设计185-187
• 7.4.4 模型设计管理功能需求分析与设计187-189
• 7.4.5 产品本体库管理功能需求分析与设计189-191
• 7.4.6 协同仿真管理功能需求分析与设计191-193
• 7.4.7 协同建模系统平台管理功能需求分析与设计193-195
• 7.5 性能样机协同建模与仿真平台数据库建模与设计195-198
• 7.5.1 性能样机协同建模与仿真平台数据库概念模型设计195-196
• 7.5.2 性能样机协同建模与仿真平台数据库物理模型设计196-198
• 7.6 性能样机协同建模与仿真平台的实现198-205
• 7.6.1 系统集成开发应用案例198-203
• 7.6.2 性能样机综合集成建模与仿真203-205
• 7.6.3 应用效果分析205
• 7.7 本章总结205-206
• 第8章 总结与展望206-210
• 8.1 全文总结206-207
• 8.2 主要创新点207-208
• 8.3 研究展望208-210
• 参考文献210-226
• 致谢226-228
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况228-230
• 1.攻读博士学位期间发表的论著228-229
• 2.攻读博士学位期间的主要科研情况229
• 3.攻读博士学位期间的获奖情况229-230
• 附录230-242
• 附录 1：航天产品性能样机顶层系统的OWL形式化代码230-232
• 附录 2：用于HV-PDMU联邦的FED文件代码232-234
• 附录 3：MOPSOGA算法Matlab实现代码234-242

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本文编号：622676