固体弹道导弹总体多目标设计优化研究

论文摘要

未来对先进弹道导弹武器系统的需求促进了导弹总体设计技术的不断发展。依托计算机软件平台的数字化设计是近年来导弹总体设计的研究热点,拥有广阔的应用前景。本文以固体弹道导弹的数字化设计为背景,重点研究了固体弹道导弹总体设计的分析模型、多目标优化方法和灵敏度分析方法、软件的设计与开发等问题,主要研究工作如下:首先,对固体弹道导弹相关的固体推进、气动设计、轨迹等学科的分析模型抽象和各分系统工作过程仿真展开研究。根据不同阶段不同层次总体设计的需求,建立了导出和展开形式的固体弹道导弹质量方程;借鉴代理模型（Surrogate Models）的思想,将复杂的精确分析模型的计算放在优化过程外完成,建立了满足一定精度要求又适于优化迭代的固体火箭发动机简化分析模型;在分析弹道导弹基准外形的基础上,建立了基于Missile DATCOM简化气动工程估算模型;通过对主动段飞行程序参数的分析,建立了适于工程实践的弹道设计模型。总体设计分析模型的研究为后续章节提供了仿真模型其次,开展了导弹总体设计的多目标优化研究。运用物理规划将导弹总体多目标设计问题处理成单目标问题,而后采用基于拉丁超立方设计和经典优化算法的混合优化算法对其优化。同时,对比研究了多目标遗传算法（NSGA-II算法）和罚函数处理的单目标遗传算法对导弹总体多目标设计的优化效果和效率。基于上述模型和算法实现的三级固体弹道导弹总体多目标设计算例的结果表明:基于物理规划和混合优化算法的导弹多目标设计优化效率高（耗费的计算机时与NSGA-II算法和单目标遗传算法比分别为1:38.75和1:17.5）,且优化性能指标更好。再次,引入基于正交试验设计的灵敏度分析方法对导弹总体多目标设计优化的结果进行了分析,得到了最优设计点附近各设计参数对射程等优化指标的灵敏度。最后,设计开发了固体弹道导弹总体方案设计优化软件。分析了软件多样化、通用化的功能需求,安排了软件主要计算流程,采用面向对象技术搭建了软件基本框架。软件计算结果表明,该软件能够提供固有导弹构型优化设计、新建构型优化设计、各参数配置、多种优化算法、可变优化变量、可变约束以及数据结果输出等主要功能。本文将现代优化技术、数据分析方法应用到固体弹道导弹多学科设计中,为飞行器优化设计领域提供了新的方法和思路。设计开发的固体弹道导弹总体设计软件有一定的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 导弹总体设计优化研究进展
• 1.2.2 多目标优化方法研究进展
• 1.3 本文研究内容及章节安排
• 第二章 固体弹道导弹总体设计方案及模型分析
• 2.1 引言
• 2.2 固体弹道导弹总体设计方案分析
• 2.2.1 固体弹道导弹总体设计基准方案
• 2.2.2 目标函数分析
• 2.2.3 设计参数分析
• 2.2.4 约束条件分析
• 2.3 质量分析模型
• 2.3.1 导出形式质量方程
• 2.3.2 展开形式质量方程
• 2.4 固体火箭发动机简化分析模型
• 2.4.1 固体火箭发动机组成及设计流程
• 2.4.2 能量特性计算简化模型
• 2.4.3 质量特性计算
• 2.4.4 总体/发动机设计优化模型
• 2.5 气动设计与估算
• 2.5.1 气动设计与估算方法
• 2.5.2 应用实例
• 2.6 弹道设计模型
• 2.6.1 飞行程序的选择
• 2.6.2 优化模型
• 2.7 小结
• 第三章 基于物理规划的导弹总体多目标设计优化
• 3.1 引言
• 3.2 物理规划概述
• 3.3 固体弹道导弹总体多目标设计优化问题描述
• 3.3.1 优化目标
• 3.3.2 设计变量
• 3.3.3 约束条件
• 3.4 基于试验设计和经典优化算法的混合优化算法
• 3.5 算例及结果分析
• 3.5.1 导弹参数设置及初始条件
• 3.5.2 偏好结构的确定
• 3.5.3 优化结果与分析
• 3.6 小结
• 第四章 基于正交试验的导弹总体优化设计灵敏度分析
• 4.1 引言
• 4.2 基于正交试验的导弹总体设计优化灵敏度分析
• 4.2.1 正交试验设计原理
• 4.2.2 正交试验设计的基本概念
• 4.2.3 正交表简介
• 4.2.4 用正交表安排试验
• 4.2.5 极差分析
• 4.2.6 灵敏度与因素优水平、极差之间的关系
• 4.2.7 基于正交试验的灵敏度分析过程
• 4.3 应用实例
• 4.4 小结
• 第五章 固体弹道导弹总体设计优化软件设计与开发
• 5.1 软件需求分析
• 5.1.1 多样化需求
• 5.1.2 通用化需求
• 5.1.3 软件基本功能
• 5.2 软件总体设计
• 5.2.1 设计思想
• 5.2.2 软件总体结构
• 5.2.3 软件流程
• 5.2.4 导弹模型构建及弹道计算流程
• 5.2.5 弹道优化设计流程
• 5.2.6 灵敏度分析流程
• 5.2.7 文件管理
• 5.3 对象模型的类设计
• 5.3.1 导弹对象子模块
• 5.3.2 数学函数库子模块
• 5.3.3 基本管理子模块
• 5.3.4 弹道计算子模块
• 5.3.5 算法子模块
• 5.3.6 灵敏度分析子模块
• 5.4 面向对象的软件开发
• 5.4.1 基于面向对象的仿真系统层次分析
• 5.4.2 面向对象的仿真系统框架设计
• 5.4.3 面向对象的程序设计
• 5.5 软件部分计算实例
• 5.5.1 软件使用说明
• 5.5.2 部分计算实例
• 5.6 小结
• 第六章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果