航空概念设计的多准则评价研究

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1、中图分类号:V421.1N945.25论文编号:102870912-B014学科分类号:081103博士学位论文航空概念设计的多准则评价研究研究生姓名RizwanUllah学科、专业系统工程研究方向航空系统设计指导教师周德群教授南京航空航天大学研究生院经济与管理学院二О一二十二月万方数据NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEconomicsandManagementMulti-criteriaeval

2、uationofaerospacevehicleconceptualdesignAThesisinSystemEngineeringbyRizwanUllahAdvisedbyProf.ZhouDe-QunSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyDecember,2012万方数据万方数据承诺书本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标

3、注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名:_____________日期:______________万方数据PhDThesisofNanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics摘要工程设计活

4、动大致可以分为两个主要阶段:概念设计和详细设计。本文重点关注空间运载火箭的设计概念和多准则评价。运载火箭的概念设计阶段的目标是构思系统的主要特性,并提出候选概念设计方案。在进行概念设计时,如果只着眼于现代空间运载火箭的某些特点,而不从其建设的整个生命周期进行分析,是难以将其建成的。因此,工程师在设计这些新概念时不仅需要考虑空间运载火箭所需的技术性能,也需要考虑成本,可制造性,可靠性,环保和最终产品的质量。这些问题大多产生于概念设计阶段。空间运载火箭设计的一个主要特点就是其技术和方案的属性之间存在着强耦合关

5、系。成功的设计理念,需要平衡所有冲突和非冲突的属性。本文提出了一种带有兼容性自检功能概念设计评估方法用于方案选择。通过模拟应用验证了其在工程系统前期设计和决策方面的有效性。方法的提出基于多种定性和定量方法,如空间矩阵法,特定定义域建模方法和基于模糊集理论的多属性决策方法。构建和使用这些改进方法的主要目的是在一开始就选择最合理可行的概念结构。根据空间运载火箭概念设计方案选择这一背景,本文将这些方法融合到一个分析框架之内,实现了决策的系统性,精确性和简便性。概念的选择是实施系统工程过程中的重要环节。我们采用了

6、几个概念选择方法进行系统设计。这些方法包括决策矩阵为基础的方法如普格评价矩阵和加权属性矩阵。此外,还有基于最优化的方法,如帕累托前沿,组合优化,遗传算法,拓扑优化和知识为基础的方法。然而,只以决策矩阵为基础的方法是无法进行设计空间的定量研究,因此对于概念的选择来说是无效的。另一方面,基于最优化的方法可以有效的求解连续设计空间的问题,但是难以解决空间离散的问题。同样的,离散优化算法,如遗传算法(GA)在解决大数量不相容概念时缺乏效率。鉴于此,本文拟通过对不同评价技术的改进和综合应用进一步加强运载火箭的概念设

7、计。研究主要从以下几个方面展开:首先,在概念设计阶段,决策者应该建立空间运载火箭的设计概念的绩效评价空间,因此,机械的技术性能,需要使用可以精确表示其物理性能的参数作为介质来描述。本文提出了理想速度-齐奥尔科夫斯基火箭方程来确定空间运载火箭所需要的节数,避免了采用6自由度弹道仿真方法,进而提高了概念设计这一过程的效率。外部干扰造成的速度损失,如空气阻力,重力,转向等,可以进行合理估计,这将增加所需的速度增量,使得计算更加接近真实情况。第二,在概念设计阶段,许多标准(性能和成本)需要同时考虑,包括他们中具有

8、冲突的一些性质。考虑到概念选择阶段的这些特点,可以用多准则决策分析(MCDA)方法对其I万方数据Multi-criteriaevaluationofaerospacevehicleconceptualdesign建模。MCDA方法可以独立考量每个单一的标准,因此它比传统的整体评价标准(OEC)更加优越。第三,我们认为SLV的概念设计阶段的特点是数据不足或精度低,因此采用方法进行评价时必须进行敏感性分析,以检验结果在数据可能的变

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