基于多島遺傳算法的多狀態(tài)動(dòng)力學(xué)模型并行修正方法論文
0 引 言
隨著動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)在航空、航天器研制中越來越重要，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真已成為設(shè)計(jì)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。但由于離散化誤差、邊界條件的近似、接頭及連接處建模不準(zhǔn)，使得復(fù)雜結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果之間存在較大差異，需要通過試驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)值分析模型進(jìn)行修正以正確預(yù)示結(jié)構(gòu)動(dòng)力行為。模型修正的本質(zhì)是一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型修正方法針對(duì)產(chǎn)品單一試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行，對(duì)于同一產(chǎn)品多個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)需要分別對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行修正，導(dǎo)致同一產(chǎn)品模型修正后對(duì)于不同試驗(yàn)狀態(tài)幾何或材料參數(shù)不一致，與實(shí)際產(chǎn)品狀態(tài)不符。同時(shí)，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型修正方法多采用基于目標(biāo)函數(shù)梯度的優(yōu)化算法，這類優(yōu)化算法屬于局部?jī)?yōu)化算法，目標(biāo)空間存在多個(gè)極值時(shí)難以尋找到全局最優(yōu)解。
針對(duì)上述問題，本文提出一種多狀態(tài)動(dòng)力學(xué)模型并行修正方法，該方法可對(duì)同一產(chǎn)品不同狀態(tài)動(dòng)力學(xué)模型同時(shí)進(jìn)行修正，且在模型修正過程中采用統(tǒng)一的模型參數(shù)，符合實(shí)際產(chǎn)品狀態(tài);采用多島遺傳算法驅(qū)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型修正流程，確保優(yōu)化目標(biāo)收斂到全局最優(yōu)解。以某飛行器為例，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型修正，驗(yàn)證了方法的有效性。
1 動(dòng)力學(xué)模型并行修正方法
目前，工程中廣泛采用以結(jié)構(gòu)幾何和材料參數(shù)為設(shè)計(jì)變量的參數(shù)型修正方法，該方法能夠保證修正后模型質(zhì)量、剛度矩陣保持帶狀對(duì)稱特征，修正結(jié)果具有明確的物理意義。本文對(duì)傳統(tǒng)的參數(shù)型修正方法進(jìn)行擴(kuò)展，提出了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型并行修正方法。該方法包含系統(tǒng)級(jí)和子系統(tǒng)級(jí)兩層系統(tǒng)，針對(duì)不同試驗(yàn)狀態(tài)分別建立其數(shù)值分析模型，并行開展不同試驗(yàn)狀態(tài)的動(dòng)力學(xué)特性分析，形成子系統(tǒng)層;將各模型分析中需要的'設(shè)計(jì)參數(shù)合并到系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)向量中，依據(jù)各模型需要分配設(shè)計(jì)參數(shù)，保證在修正過程中不同狀態(tài)的模型參數(shù)一致。
2 多島遺傳算法
遺傳算法是一類借鑒生物界的進(jìn)化規(guī)律演化而來的非經(jīng)典優(yōu)化算法。與傳統(tǒng)的優(yōu)化算法相比，遺傳算法不存在求導(dǎo)和目標(biāo)函數(shù)連續(xù)性的限定，且具有全局尋優(yōu)能力。但傳統(tǒng)的遺傳算法在優(yōu)化過程中基因突變的概率較低，容易在進(jìn)化幾代后出現(xiàn)早熟現(xiàn)象，導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果收斂于局部最優(yōu)解。
3 數(shù)值算例
以某飛行器為例，依據(jù)其一級(jí)滿油、一級(jí)空油、二級(jí)滿油、二級(jí)空油 4 種典型飛行狀態(tài)下的前兩階模態(tài)頻率和振型試驗(yàn)結(jié)果，選取各艙段材料的彈性模量為優(yōu)化變量，數(shù)值分析與試驗(yàn)結(jié)果差異為優(yōu)化目標(biāo)，采用本文方法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型修正。
4 結(jié) 論
a)提出了基于多島遺傳算法的多狀態(tài)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型并行修正方法，改進(jìn)了傳統(tǒng)方法針對(duì)同一產(chǎn)品不同試驗(yàn)狀態(tài)分別修正模型，導(dǎo)致同一產(chǎn)品模型參數(shù)不一致的不足，更符合工程實(shí)際;
b)動(dòng)力學(xué)模型并行修正方法中各試驗(yàn)狀態(tài)的殘差之間相互獨(dú)立，且對(duì)殘差的物理意義沒有約束，可以同時(shí)對(duì)動(dòng)力學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)模型進(jìn)行修正;
c)采用多島遺傳算法驅(qū)動(dòng)優(yōu)化流程，避免了經(jīng)典優(yōu)化算法需要對(duì)目標(biāo)函數(shù)求導(dǎo)的限制，同時(shí)保證了設(shè)計(jì)參數(shù)收斂于全局最優(yōu)解;
d)模型修正后模態(tài)頻率和振型更接近實(shí)測(cè)值，可為工程設(shè)計(jì)采用。
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