桁架式静止轨道卫星平台多学科多任务设计优化

发布时间：2017-09-12 22:46

  本文关键词：桁架式静止轨道卫星平台多学科多任务设计优化

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【摘要】：随着通信卫星应用领域的不断拓展，为适应卫星平台质量与稳定性更为严苛的设计要求，桁架式静止轨道卫星平台成为了当前国内外研究热点。卫星平台总体设计是一个复杂的系统工程，涉及几何、结构、推进、控制、热控等多个子学科（分系统），各子学科相互影响，相互制约。在充分考虑各子学科耦合与设计要求的前提下，为了提高设计效率，缩短设计周期，降低设计成本，针对桁架式静止轨道卫星平台的多学科设计优化具有很高的研究价值。 本文从桁架式静止轨道卫星平台的设计任务着手，对各设计任务建模与分析方法、相应的多学科设计优化策略，以及实现模块化桁架式静止轨道卫星平台多学科优化软件等方面展开深入研究。主要包括以下几个方面： (一)对静止轨道卫星平台和多学科设计优化的研究意义，以及国内外研究现状进行了的总结与论述。为进行桁架式静止轨道卫星平台多学科设计优化提供必要的参考，并详细阐述了基于代理模型的优化策略的发展趋势，为本文后续研究提供支持。 (二)针对桁架式静止轨道卫星平台几何结构耦合参数优化、小推力器布局和舱内仪器布局三个设计任务，，分别开展了几何结构耦合参数集成设计系统、推进剂耦合过程建模分析以及舱内仪器布局优化策略研究，建立了各任务分析与优化数学模型，为桁架式静止轨道卫星平台多学科建模提供模型基础。 (三)通过整理卫星平台几何结构耦合参数优化、小推力器布局和舱内仪器布局三个设计任务模型中所涉及的设计参数和子学科，梳理了不同学科之间的数据关系，完成桁架式静止轨道卫星平台设计结构矩阵。构建了桁架式静止轨道卫星平台优化问题的三要素，建立了桁架式静止轨道卫星平台多学科优化模型。 (四)针对桁架式静止轨道卫星平台学科模型分析耗时特点，提出了基于序列径向基函数代理模型的优化策略（SEO-SRBF）。该策略引入自适应代理模型的思想，采用重点采样空间技术在优化迭代过程中自适应地新增样本点，尽量将样本点分布到可能包含最优解区域，提高该区域的近似精度，达到降低设计成本的目的。标准测试算例和工程算例对比结果表明：SEO-SRBF在优化效率和寻优能力上都优于现有的常用自适应代理模型优化策略。 (五)针对桁架式静止轨道卫星平台多学科设计优化问题的数学特点，基于SEO-SRBF研究基础上，提出了基于序列径向基函数代理模型的离散混合多目标优化策略（SRBF-MDC）。为解决设计变量离散连续混合问题，该策略采用连续松弛变量处理离散变量；为解决多个优化目标问题，该策略采用l2标准加权法和改进的pareto适应度函数将多目标转化为单一目标；为解决目标模型和约束条件计算耗时问题，该策略同时对所有计算耗时模型构造RBF代理模型，并利用重点采样空间技术进行更新。标准测试算例和工程算例对比结果表明：在相同的计算成本基础上SRBF-MDC获得的优化结果要好于现有的自适应代理模型约束优化策略。 (六)为了解决桁架式静止轨道卫星平台多学科设计优化，在设计任务建模和SRBF-MDC研究的基础上，开发了模块化桁架式静止轨道卫星平台多学科优化软件。该软件基于ModelCenter框架完成了各个学科模型（分系统）的封装，采用C#编程语言实现了SRBF-MDC优化器UI开发，并利用COM编程技术将优化器集成到ModelCenter框架中。最终，通过该软件完成了桁架式静止轨道卫星平台多学科多任务设计优化，优化结果满足设计要求。
【关键词】：桁架式卫星平台 多学科设计优化 多任务设计优化 仪器布局设计 小推力器布局设计 几何结构耦合设计 代理模型技术 自适应代理模型 重点采样空间
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V423.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-12
• 图目录12-16
• 表目录16-18
• 第1章 绪论18-37
• 1.1 研究的背景和意义18-21
• 1.2 静止轨道卫星平台的研究现状21-26
• 1.3 多学科设计优化的研究现状26-35
• 1.3.1 MDO 在工业设计中的应用27-30
• 1.3.2 基于代理模型的优化策略发展概况30-34
• 1.3.3 卫星平台设计优化研究进展34-35
• 1.4 本文的研究内容与内容安排35-37
• 第2章 桁架式静止轨道卫星平台多任务设计37-75
• 2.1 引言37
• 2.2 桁架式静止轨道卫星平台设计任务分析37-39
• 2.2.1 几何结构耦合参数优化设计任务分析38
• 2.2.2 小推力器布局设计任务分析38-39
• 2.2.3 舱内仪器布局设计任务分析39
• 2.3 几何结构耦合参数优化设计39-49
• 2.3.1 几何结构耦合参数优化数学模型40-41
• 2.3.2 几何结构耦合参数优化集成系统41-42
• 2.3.3 几何参数化建模42-46
• 2.3.4 结构参数化建模46-49
• 2.4 小推力器布局设计49-61
• 2.4.1 小推力器布局设计优化数学模型50-51
• 2.4.2 基本数学模型51-53
• 2.4.3 推进剂消耗过程建模分析53-61
• 2.5 舱内仪器布局设计61-72
• 2.5.1 舱内仪器布局概述61-62
• 2.5.2 舱内仪器布局设计建模62-66
• 2.5.3 仪器布局优化策略66-70
• 2.5.4 舱内仪器布局测试算例70-72
• 2.6 本章小结72-75
• 第3章 桁架式静止轨道卫星平台多学科优化建模75-90
• 3.1 引言75
• 3.2 桁架式静止轨道卫星平台设计结构矩阵建立75-81
• 3.2.1 几何结构耦合参数优化设计分系统分解75-77
• 3.2.2 小推力器布局设计分系统分解77-78
• 3.2.3 舱内仪器布局分系统分解78-79
• 3.2.4 桁架式静止轨道卫星平台设计结构矩阵79-81
• 3.3 桁架式静止轨道卫星平台优化三要素81-83
• 3.3.1 优化目标选取81-82
• 3.3.2 约束条件选取82
• 3.3.3 桁架式静止轨道卫星平台设计变量82-83
• 3.4 桁架静止轨道卫星平台优化数学模型83-87
• 3.4.1 优化数学模型建立83-84
• 3.4.2 优化模型分析84-87
• 3.5 桁架式静止轨道卫星平台设多学科分析与优化流程87-88
• 3.6 本章小结88-90
• 第4章 基于序列径向基函数代理模型的优化策略90-117
• 4.1 引言90
• 4.2 基于代理模型的优化策略90-94
• 4.2.1 基于静态代理模型的优化90-93
• 4.2.2 基于动态代理模型的优化93-94
• 4.3 SEO-SRBF 优化策略94-99
• 4.3.1 计算试验设计方法94-95
• 4.3.2 RBF 模型数学基础95-96
• 4.3.3 SEO-SRBF 优化流程96-97
• 4.3.4 重点采样空间技术97-99
• 4.4 基于 Lagrange 函数的 SEO-SRBF 约束优化策略99-102
• 4.5 SEO-SRBF 性能测试102-112
• 4.5.1 标准数值算例测试102-106
• 4.5.2 工程测试算例106-112
• 4.6 SRBF 特性分析112-115
• 4.6.1 重点采样空间参数选取分析112-114
• 4.6.2 SRBF 收敛特性分析114-115
• 4.7 本章小结115-117
• 第5章 基于序列径向基函数的离散混合约束多目标优化策略117-145
• 5.1 引言117
• 5.2 离散混合约束优化数学模型117-120
• 5.2.1 标准数学模型117-118
• 5.2.2 采用连续松弛变量处理离散变量118-120
• 5.3 SRBF-MDC 优化策略120-124
• 5.4 可行点搜索策略124-127
• 5.5 基于 SRBF-MDC 多目标优化策略127-129
• 5.6 算法性能测试129-135
• 5.6.1 标准测试算例129-132
• 5.6.2 可行点搜索效率测试132-133
• 5.6.3 算法寻优能力测试133-135
• 5.7 工程算例135-142
• 5.7.1 桁架结构优化135-139
• 5.7.2 卫星平台几何结构优化139-140
• 5.7.3 小推力器布局与几何构型多目标优化140-142
• 5.8 本章小结142-145
• 第6章 桁架式静止轨道卫星平台多学科优化设计145-163
• 6.1 引言145
• 6.2 模块化桁架式静止轨道卫星平台多学科优化软件架构145-148
• 6.2.1 MDO 集成设计框架选择145-146
• 6.2.2 MMOS-TSSB 软件架构设计146-148
• 6.3 模块化桁架式静止轨道卫星平台多学科优化软件开发148-155
• 6.3.1 SRBF-MDC 优化器开发148-151
• 6.3.2 桁架式静止轨道卫星平台学科模型集成151-155
• 6.4 桁架式静止轨道卫星平台多学科优化设计结果155-161
• 6.4.1 MMOS-TSSB 实现框图155-156
• 6.4.2 优化结果与分析156-161
• 6.5 本章小结161-163
• 第7章 总结与展望163-168
• 7.1 本文总结163-164
• 7.2 本文的创新之处164-165
• 7.3 有待进一步研究的问题165-168
• 参考文献168-181
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单181-184
• 致谢184-186
• 作者简介186

【参考文献】

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中国博士学位论文全文数据库 前1条

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本文编号：839980