基于知識工程的錐柱裙體氣動設計方法研究

黃波 龍永松

摘 要：本文采用知識工程理念，研究 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡代理模型方法，將代理模型方法應用于氣動特性映射規(guī)律挖掘，提出基于氣動特性映射規(guī)律的導彈氣動外形設計方法。該方法可以有效利用以往設計經(jīng)驗，提高設計效率，縮短設計周期，能在導彈氣動外形設計中發(fā)揮重要作用。

關鍵詞：錐柱裙體;氣動特性;知識工程;神經(jīng)網(wǎng)絡;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動目標防御武器的常用外形[1]。錐柱裙體攔截器氣動外形設計過程存在飛行空域跨度大，并且不同的空域?qū)鳉鈩犹匦猿尸F(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、干擾復雜的特點。在設計時需要針對不同流層、不同速域采用不同的計算方法和計算模型，使得氣動特性在設計上存在著難點。因為傳統(tǒng)的導彈氣動外形設計流程，計算工作量大，計算周期長，對已有的設計成果難以繼承、設計經(jīng)驗沒有得到有效借鑒，所以需要引入新的設計方法實現(xiàn)對錐柱裙體氣動外形的快速優(yōu)化設計。本文擬采用知識工程[2]中的相關理念，來解決錐柱裙體氣動外形設計困難的問題。

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動目標防御武器的常用外形[1]。錐柱裙體攔截器氣動外形設計過程存在飛行空域跨度大，并且不同的空域?qū)鳉鈩犹匦猿尸F(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、干擾復雜的特點。在設計時需要針對不同流層、不同速域采用不同的計算方法和計算模型，使得氣動特性在設計上存在著難點。因為傳統(tǒng)的導彈氣動外形設計流程，計算工作量大，計算周期長，對已有的設計成果難以繼承、設計經(jīng)驗沒有得到有效借鑒，所以需要引入新的設計方法實現(xiàn)對錐柱裙體氣動外形的快速優(yōu)化設計。本文擬采用知識工程[2]中的相關理念，來解決錐柱裙體氣動外形設計困難的問題。

2需求分析

·傳統(tǒng)的氣動外形設計首先由總體組下達設計任務書，任務書里包含總體設計要求及約束條件。然后氣動外形設計人員根據(jù)總體指標要求尋找指標近似的導彈外形或已有型號作為初始外形，通過仿真計算得到導彈氣動性能，跟總體指標要求相比較，判斷所選方案是否滿足總體指標，滿足則為可行方案，直接輸出該方案作為最終方案，并進行氣動力建模;不滿足則基于設計人員的設計經(jīng)驗修改氣動外形，并進行新一輪的仿真計算和判斷，如此往復迭代，直到得到可行方案。傳統(tǒng)設計過程存在以下幾個問題：

a） 設計耗時太長

b） 僅憑設計經(jīng)驗修改設計參數(shù)

c） 數(shù)據(jù)資源缺乏深度挖掘

3氣動特性映射規(guī)律挖掘方法

錐柱裙體攔截器氣動外形參數(shù)與氣動特性之間、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系，即存在輸入和輸出之間的映射關系，采用代理模型技術對映射規(guī)律進行構建。

代理模型是指通過數(shù)學手段構造的計算量小，但計算結果與數(shù)值分析或物理試驗結果相近的近似數(shù)學模型，以替代原分析模型或物理試驗用于優(yōu)化設計。代理模型使氣動優(yōu)化直接脫離其本身氣動分析模型，將復雜的氣動優(yōu)化模型轉(zhuǎn)換為數(shù)學模型的優(yōu)化問題，使優(yōu)化問題對氣動本身的依賴性大大減小。而在構造代理模型時，代理模型的精度必須滿足要求才能有效替代原氣動模型，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡模型是一種常用的代理模型方法。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANNs）是一種應用類似于大腦神經(jīng)突觸聯(lián)接的結構進行信息處理的數(shù)學模型。這種網(wǎng)絡依靠系統(tǒng)的復雜程度，通過調(diào)整內(nèi)部大量神經(jīng)元之間相互連接的關系，從而達到處理信息的目的。

4優(yōu)化算法

在進行氣動外形設計時，首先根據(jù)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡得到氣動外形和氣動特性的映射規(guī)律模型，形成映射數(shù)據(jù)庫。再將數(shù)據(jù)庫和總體要求作為輸入，通過遺傳算法對初始的設計方案進行優(yōu)化，在滿足約束條件的基礎上，不斷迭代，最終得到最優(yōu)方案。該技術實現(xiàn)原理基于遺傳算法，以適應度函數(shù)為基礎。在具體實現(xiàn)過程上，將目標函數(shù)，也就是容積函數(shù)，作為適應度函數(shù)，再將約束條件以懲罰函數(shù)的形式添加在適應度函數(shù)中。在對初始方案進行適應度檢查時，檢查方案的氣動數(shù)據(jù)是否滿足氣動映射規(guī)律。若不滿足，則加入懲罰函數(shù)，降低該方案的適應度，避免該方案成為最優(yōu)方案。

5基于氣動特性映射規(guī)律的導彈氣動外形設計方法

基于氣動特性映射規(guī)律的氣動外形設計流程如圖1 所示。

具體流程如下：

a） 將以往設計經(jīng)驗數(shù)據(jù)建立仿真數(shù)據(jù)庫;

b） 采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡方法對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)構造映射規(guī)律的數(shù)學模型;

c） 以總體指標要求作為優(yōu)化目標和約束條件，采用遺傳算法對上一步構造的數(shù)學模型進行優(yōu)化，得到最優(yōu)氣動外形;

d） 采用CFD 方法對最優(yōu)氣動外形進行仿真驗證，若結果滿足總體指標要求則為最優(yōu)方案，若不滿足則對進化算法進行改進，再次進行優(yōu)化直至得到滿足總體指標要求的外形方案。

6結論

本文以BF 神經(jīng)網(wǎng)絡模型方法對攔截氣動外形參數(shù)與氣動特性之間、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系進行構造，并提出了一種基于氣動特性映射規(guī)律的氣動外形優(yōu)化設計方法。該方法能有效的利用以往設計經(jīng)驗，將大大提高設計效率，縮短設計周期。

參考文獻：

[1] 王靜.動能攔截彈技術發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].現(xiàn)代防御技術，2008，36（4）.

[2] 史忠植.高級人工智能（第二版）[M].科學出版社，2006.