复杂产品设计中参数关联和等效简化方法及其应用

摘要

复杂产品的结构组成复杂、运行工况多变、设计变量数量众多、多性能目标相互耦合，使得产品的性能设计异常困难，难以获得产品整体性能最优的设计方案。模型复杂性和计算复杂性是复杂产品性能设计难点之一。本文在对复杂产品性能设计相关技术的研究现状进行总结和分析的基础上，针对设计变量与性能关联强度计算、设计模型解耦和设计模型等效简化等问题进行了深入研究，根据研究成果开发了大型空分装备性能设计系统，在杭氧8万等级空分装备设计中进行了应用验证。
　　论文的主要研究内容包括:
　　第一章概述了复杂产品性能设计的研究现状，综述了设计变量与性能间关联强度分析、设计模型解耦、模型等效简化、性能求解等关键技术，给出了本文拟解决的问题，介绍了本文的研究内容和组织结构。
　　第二章提出了多源数据融合的设计变量与性能关联强度计算方法。使用响应面拟合法和灰色神经网络法实现了多源数据的融合分析及性能设计模型的构建。基于单因素敏感度信息熵的均值和标准差，将设计变量划分为强关联变量、弱关联变量和变关联变量。构建了变关联矩阵，在性能求解中实现了设计变量与性能间关联强度的精确计算及设计变量的自适应调节。
　　第三章提出了设计变量与性能间多重耦合聚类分析与设计模型解耦技术。根据设计变量与性能的关联强度构建了包含设计变量与性能间耦合关联、变量间耦合关联和性能间耦合关联等多重耦合信息的综合耦合度矩阵。通过综合耦合度矩阵的降维分析和变量性能二元树的分支耦合度比较，实现了设计变量与性能的聚类分析。提出了聚合度的概念进行设计模型解耦效果评价，以聚合度为指标进行了设计模型解耦。
　　第四章提出了相似组合模型的参数摄动等效简化技术。分析了相似组合模型的特点，根据同类变量的小扰动分析结果，进行了参数的奇异摄动分析。提出了相似组合模型等效简化的系数设置准则，包括组合模型划分准则、敏感子模型选取准则和修正系数求解准则。应用于精馏上塔开环响应和闭环响应下的产品纯度预测，保证了产品纯度预测结果的准确性。
　　第五章提出了参数不确定性分析的模型等效简化技术。进行了各类参数不确定性的来源分析和定量表征，构建了性能不确定性度量函数。基于性能预测区间进行设计变量采样点选取，基于模型均方误差进行系统参数采样点选取，构建了性能不确定性驱动的等效简化模型。应用于换热器的传热性能求解，提高了换热器翅片结构设计结果的稳健性。
　　第六章实现了大型空分装备性能设计系统的研制。将本文提出的理论方法应用于大型空分装备的性能设计，介绍了软件系统的体系结构，详细阐述了软件的各项功能。并将该软件应用于杭氧8万等级空分装备的设计，验证了研制软件的有效性。
　　第七章对本文进行了总结，归纳了本文的主要研究成果和创新点，展望了今后的研究工作。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 复杂产品性能设计研究综述

1．3 复杂产品设计中参数关联和等效简化的研究现状

1．3．1 变量与性能间关联分析技术

1．3．2 设计模型解耦技术

1．3．3 设计模型等效简化技术

1．3．4 复杂产品等效简化方法在性能求解中的应用

1．4 论文的研究意义和研究内容

1．4．1 论文的研究意义和目的

1．4．2 论文的研究内容及组织结构

2 多源数据融合的设计变量与性能关联强度计算方法

2．1 引言

2．2 多源数据融合分析

2．2．1 仿真数据和实验数据的拟合分析

2．2．2 理论计算数据和仿真数据、实验数据的融合方法

2．3 基于敏感度分析的关联类型识别

2．3．1 基于关联路径图谱的性能设计模型构建

2．3．2 基于敏感度和信息熵的设计变量分类

2．4 基于变关联矩阵的关联强度计算

2．4．1 变关联矩阵构建

2．4．2 设计变量与性能的关联强度计算

2．5 在板翅式换热器设计中的应用

2．5．1 板翅式换热器的结构变量与换热性能间关联分析

2．5．2 对比验证

2．6 本章小结

3 设计变量与性能间多重耦合聚类分析与设计模型解耦技术

3．1 引言

3．2 多重耦合度度量

3．2．1 基于关联强度的多重耦合分析

3．2．2 综合耦合度矩阵构建

3．3 基于综合耦合度矩阵的设计变量与性能间聚类分析

3．3．1 综合耦合度矩阵降维分析

3．3．2 变量性能二元树构建

3．3．3 基于二元树分支耦合度的设计变量与性能聚类

3．4 基于聚合度的设计模型解耦

3．4．1 模型聚合度

3．4．2 基于聚合度的最佳解耦方案获取

3．5 应用实例

3．5．1 填料设计模型解耦

3．5．2 膨胀机设计模型解耦

3．6 本章小结

4 相似组合模型的参数摄动等效简化技术

4．1 引言

4．2 相似组合模型特点分析

4．3 相似组合模型中参数奇异摄动分析

4．4 相似组合模型等效简化的系数设置准则

4．4．1 组合模型划分准则

4．4．2 敏感子模型选取准则

4．4．3 修正系数求解准则

4．5 在精馏上塔性能预测中的应用

4．5．1 精馏上塔等效简化模型确定

4．5．2 开环响应下性能预测结果及精度对比

4．5．3 闭环响应下性能预测结果及精度对比

4．6 本章小结

5 参数不确定性分析的模型等效简化技术

5．1 引言

5．2 参数不确定性度量

5．2．1 不确定性来源分析

5．2．2 性能不确定性度量

5．3 精度与效率协调的等效简化模型构建

5．3．1 基于性能预测区间的设计变量采样点选取

5．3．2 基于模型均方误差的系统参数采样点选取

5．3．3 等效简化模型构建

5．4 基于等效简化模型的性能求解

5．5 应用实例

5．5．1 数值算例分析及结果对比

5．5．2 主换热器翅片结构稳健设计及结果对比

5．6 本章小结

6 大型空分装备性能设计系统研制

6．1 引言

6．2 系统架构与功能简介

6．3 系统各项功能设计及实现

6．3．1 多源设计数据管理

6．3．2 空分装备方案设计

6．3．3 空分部机层性能设计

6．3．4 空分零件层性能设计

6．4 在8万等级空分装备设计中的应用验证

6．5 本章小结

7 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 研究展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果