基于知識(shí)工程的錐柱裙體氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法研究

黃波 龍永松

摘 要：本文采用知識(shí)工程理念，研究 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型方法，將代理模型方法應(yīng)用于氣動(dòng)特性映射規(guī)律挖掘，提出基于氣動(dòng)特性映射規(guī)律的導(dǎo)彈氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)方法。該方法可以有效利用以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，能在導(dǎo)彈氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞：錐柱裙體;氣動(dòng)特性;知識(shí)工程;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);映射規(guī)律

1引 言

錐柱裙體是攔截大氣層內(nèi)及大氣層外高超聲速機(jī)動(dòng)目標(biāo)防御武器的常用外形[1]。錐柱裙體攔截器氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)過(guò)程存在飛行空域跨度大，并且不同的空域?qū)鳉鈩?dòng)特性呈現(xiàn)不同的影響規(guī)律，飛行速度范圍跨度大，姿軌控側(cè)向噴流工況多、干擾復(fù)雜的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)時(shí)需要針對(duì)不同流層、不同速域采用不同的計(jì)算方法和計(jì)算模型，使得氣動(dòng)特性在設(shè)計(jì)上存在著難點(diǎn)。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的導(dǎo)彈氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)流程，計(jì)算工作量大，計(jì)算周期長(zhǎng)，對(duì)已有的設(shè)計(jì)成果難以繼承、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)沒(méi)有得到有效借鑒，所以需要引入新的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)錐柱裙體氣動(dòng)外形的快速優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文擬采用知識(shí)工程[2]中的相關(guān)理念，來(lái)解決錐柱裙體氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)困難的問(wèn)題。

1引言

錐柱裙體是攔截大氣層內(nèi)及大氣層外高超聲速機(jī)動(dòng)目標(biāo)防御武器的常用外形[1]。錐柱裙體攔截器氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)過(guò)程存在飛行空域跨度大，并且不同的空域?qū)鳉鈩?dòng)特性呈現(xiàn)不同的影響規(guī)律，飛行速度范圍跨度大，姿軌控側(cè)向噴流工況多、干擾復(fù)雜的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)時(shí)需要針對(duì)不同流層、不同速域采用不同的計(jì)算方法和計(jì)算模型，使得氣動(dòng)特性在設(shè)計(jì)上存在著難點(diǎn)。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的導(dǎo)彈氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)流程，計(jì)算工作量大，計(jì)算周期長(zhǎng)，對(duì)已有的設(shè)計(jì)成果難以繼承、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)沒(méi)有得到有效借鑒，所以需要引入新的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)錐柱裙體氣動(dòng)外形的快速優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文擬采用知識(shí)工程[2]中的相關(guān)理念，來(lái)解決錐柱裙體氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)困難的問(wèn)題。

2需求分析

·傳統(tǒng)的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)首先由總體組下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)書，任務(wù)書里包含總體設(shè)計(jì)要求及約束條件。然后氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)人員根據(jù)總體指標(biāo)要求尋找指標(biāo)近似的導(dǎo)彈外形或已有型號(hào)作為初始外形，通過(guò)仿真計(jì)算得到導(dǎo)彈氣動(dòng)性能，跟總體指標(biāo)要求相比較，判斷所選方案是否滿足總體指標(biāo)，滿足則為可行方案，直接輸出該方案作為最終方案，并進(jìn)行氣動(dòng)力建模;不滿足則基于設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)修改氣動(dòng)外形，并進(jìn)行新一輪的仿真計(jì)算和判斷，如此往復(fù)迭代，直到得到可行方案。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

a） 設(shè)計(jì)耗時(shí)太長(zhǎng)

b） 僅憑設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)修改設(shè)計(jì)參數(shù)

c） 數(shù)據(jù)資源缺乏深度挖掘

3氣動(dòng)特性映射規(guī)律挖掘方法

錐柱裙體攔截器氣動(dòng)外形參數(shù)與氣動(dòng)特性之間、姿軌控噴流狀態(tài)參數(shù)與噴流干擾特性之間、外形參數(shù)與噴流干擾特性之間均存在特定的映射關(guān)系，即存在輸入和輸出之間的映射關(guān)系，采用代理模型技術(shù)對(duì)映射規(guī)律進(jìn)行構(gòu)建。

代理模型是指通過(guò)數(shù)學(xué)手段構(gòu)造的計(jì)算量小，但計(jì)算結(jié)果與數(shù)值分析或物理試驗(yàn)結(jié)果相近的近似數(shù)學(xué)模型，以替代原分析模型或物理試驗(yàn)用于優(yōu)化設(shè)計(jì)。代理模型使氣動(dòng)優(yōu)化直接脫離其本身氣動(dòng)分析模型，將復(fù)雜的氣動(dòng)優(yōu)化模型轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化問(wèn)題，使優(yōu)化問(wèn)題對(duì)氣動(dòng)本身的依賴性大大減小。而在構(gòu)造代理模型時(shí)，代理模型的精度必須滿足要求才能有效替代原氣動(dòng)模型，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是一種常用的代理模型方法。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANNs）是一種應(yīng)用類似于大腦神經(jīng)突觸聯(lián)接的結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息處理的數(shù)學(xué)模型。這種網(wǎng)絡(luò)依靠系統(tǒng)的復(fù)雜程度，通過(guò)調(diào)整內(nèi)部大量神經(jīng)元之間相互連接的關(guān)系，從而達(dá)到處理信息的目的。

4優(yōu)化算法

在進(jìn)行氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到氣動(dòng)外形和氣動(dòng)特性的映射規(guī)律模型，形成映射數(shù)據(jù)庫(kù)。再將數(shù)據(jù)庫(kù)和總體要求作為輸入，通過(guò)遺傳算法對(duì)初始的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，在滿足約束條件的基礎(chǔ)上，不斷迭代，最終得到最優(yōu)方案。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理基于遺傳算法，以適應(yīng)度函數(shù)為基礎(chǔ)。在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程上，將目標(biāo)函數(shù)，也就是容積函數(shù)，作為適應(yīng)度函數(shù)，再將約束條件以懲罰函數(shù)的形式添加在適應(yīng)度函數(shù)中。在對(duì)初始方案進(jìn)行適應(yīng)度檢查時(shí)，檢查方案的氣動(dòng)數(shù)據(jù)是否滿足氣動(dòng)映射規(guī)律。若不滿足，則加入懲罰函數(shù)，降低該方案的適應(yīng)度，避免該方案成為最優(yōu)方案。

5基于氣動(dòng)特性映射規(guī)律的導(dǎo)彈氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)方法

基于氣動(dòng)特性映射規(guī)律的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。

具體流程如下：

a） 將以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立仿真數(shù)據(jù)庫(kù);

b） 采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)構(gòu)造映射規(guī)律的數(shù)學(xué)模型;

c） 以總體指標(biāo)要求作為優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，采用遺傳算法對(duì)上一步構(gòu)造的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)氣動(dòng)外形;

d） 采用CFD 方法對(duì)最優(yōu)氣動(dòng)外形進(jìn)行仿真驗(yàn)證，若結(jié)果滿足總體指標(biāo)要求則為最優(yōu)方案，若不滿足則對(duì)進(jìn)化算法進(jìn)行改進(jìn)，再次進(jìn)行優(yōu)化直至得到滿足總體指標(biāo)要求的外形方案。

6結(jié)論

本文以BF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型方法對(duì)攔截氣動(dòng)外形參數(shù)與氣動(dòng)特性之間、姿軌控噴流狀態(tài)參數(shù)與噴流干擾特性之間、外形參數(shù)與噴流干擾特性之間的映射關(guān)系進(jìn)行構(gòu)造，并提出了一種基于氣動(dòng)特性映射規(guī)律的氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法能有效的利用以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，將大大提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王靜.動(dòng)能攔截彈技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2008，36（4）.

[2] 史忠植.高級(jí)人工智能（第二版）[M].科學(xué)出版社，2006.