一种基于逐维分析策略的结构噪声可靠性优化的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于逐维分析策略的结构噪声可靠性优化的方法，首先，以区间数模型定量化结构及环境等的不确定性，建立基于区间可靠性分析模型的结构噪声优化模型，基于结构声学响应等关于区间参数的非线性程度确定响应关于区间参数的最佳平方逼近的阶数及高斯积分点。其次，以高斯积分点与区间数定量化模型对区间参数向量进行抽样，计算在区间参数样本点处响应向量值，建立最佳平方逼近以确定响应向量关于区间参数的最值点矩阵，从而计算出响应区间向量。最后利用响应区间向量及安全性要求计算区间可靠性，在优化算法驱动下完成结构优化。本发明专利技术以区间可靠性代替了经典安全因子，迎合了结构噪声优化的精细化发展趋势，有效避免了传统优化方法的保守特性，应用前景明朗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及装备噪声测量的
，具体涉及一种封闭结构空间内噪声优化的方法，适用于客机、汽车与潜艇等具有封闭舱室结构的装备内部空间噪声优化。
技术介绍
封闭结构形式(如类圆柱体薄壁结构围合而成的客机机身或潜艇舱室、类长方体薄壁结构围合而成的汽车内部空间)在工程领域内十分常见，弹性薄壁结构在外界激励作用下振动而向封闭结构内部空间辐射噪声，高水平噪声不仅严重影响舱室内部乘员的身心健康及舒适性体验，而且对装备的综合性能或关键设备组件的功能具有极大的危害，如内部关键设备的声疲劳破坏等。因此，通过结构设计与优化以降低其围合而成的封闭舱室内关键位置处的声压级或改变舱室内的声压分布对装备整体性能及装备内部关键设备的正常运行具有显著的工程价值。在结构噪声分析、设计与优化过程中，诸如“人、机、料、法、环、测”等因素均潜在不同程度的不确定性，如研究人员主观认知水平的限制、机械加工装备的工艺限制、结构材料质量和批次的差异、理论分析与数值分析的简化假设、装备服役环境参数的波动、试验分析的测量误差等。具体而言，飞机巡航状态遭遇不稳定气流而引起的机身压强载荷变化，潜艇因海水环境变化而引起的水压波动，汽车行驶状态下不平路面引起的激励差异，不同温度条件下封闭舱室内介质特性(如质量密度与声速)的波动。传统结构设计与优化将这些不确定性多利用诸如安全因子等以“一刀切”的较为粗略方式限制其对结构设计性能及设计功能的影响，未能有效结合当前各学科精细化与高精度分析发展趋势。在这种背景下，根据工程需求及灵敏度分析方法确定结构噪声分析与优化问题的设计变量与不确定参数(下称“设计参数”)，基于设计参数大样本容量试验数据的随机优化方法被提出与发展。但因主观认知水平与客观试验条件的限制，针对在诸多工况下设计参数试验数据的样本容量十分有限的现实，以区间模型实现设计参数定量化，并继而提出基于摄动分析理论的结构声辐射区间分析方法。针对当前该领域内已有方法的不足，本专利技术以设计参数的区间模型为输入，基于逐维分析策略与区间可靠性分析模型专利技术了一种结构噪声可靠性优化的方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服结构噪声随机优化中对设计参数试验数据的大样本容量需求的限制，克服结构噪声分析中区间摄动分析法对设计参数小区间波动的限制，提供一种含区间参数的结构噪声分析及可靠性优化的方法。一般而言，结构噪声分析与优化过程中所涉及的响应可分为两类，即显式解析形式的响应与由数值分析模型(如有限元模型或边界元模型)计算而得的隐式非解析形式的响应(如声压级)，本专利技术以P表示所有隐式非解析形式响应组成的列向量(如空间不同位置处不同频率下声压级组成的声压级列向量)。因隐式非解析响应的计算代价与计算复杂程序远高于显示解析响应，所以本
技术实现思路
主要针对隐式非解析响应阐述。本专利技术采用的技术方案是：首先基于设计参数的区间模型提出结构噪声区间分析方法以计算结构噪声响应的区间界限；其次基于区间可靠性分析模型并集成成熟的优化算法实现结构噪声的可靠性优化，其实现步骤是：第一步：确定结构噪声优化设计变量向量x所包含的具体变量，包括长度变量与厚度变量，与设计参数向量h所包含的具体参数，包括环境温度与材料密度；根据设计参数向量h的试验数据以区间模型定量化为区间参数向量hI；第二步：确定封闭结构内部关键设备的固有频率ω0与空间位置；确定关键设备正常运行条件下声压级S范围SI及临界可靠性Rc；确定结构噪声可靠性优化目标函数f(x,h)，建立相应的区间可靠性优化模型，选择拟采用的优化算法；第三步：根据第一步中设计变量向量x所包含的具体变量而给定优化迭代索引K的初值及第K个迭代步的设计变量值x(K)；第四步：根据第二步中关键设备固有频率ω0与空间位置，确定响应向量P所包含的具体响应是不同空间位置不同频率点处的声压级，评估各响应关于设计参数向量h的非线性程度，确定响应向量P关于每个设计参数最佳平方逼近的阶数N、高斯积分点个数s及高斯积分点利用第一步中区间参数向量hI和高斯积分点对设计参数向量h抽样，将设计参数向量样本点存储于样本点分块矩阵Mh中；第五步：将第三步中给定的设计变量值x(K)与第四步中得到的样本点分块矩阵Mh逐行代入响应向量P的数值分析模型中，计算响应向量P在每个区间参数向量样本点处的响应值，并存储于响应分块矩阵Mp中；第六步：根据第五步中得到的响应分块矩阵Mp及基于勒让德多项式的最佳平方逼近理
论建立响应向量P的第l个分量关于第i个区间参数的最佳平方逼近A(l,i)(z)；第七步：利用第六步中得到的最佳平方逼近A(l,i)(z)计算响应向量P的第l个分量关于第i个区间参数的最大值点和最小值点遍历所有响应分量以获得响应向量P关于第i个区间参数的最大值点列向量和最小值点列向量遍历所有区间参数，获得响应向量P的最大值点矩阵Zmax和最小值点矩阵Zmin；第八步：将第七步得到的响应向量P的最大值点矩阵Zmax和最小值点矩阵Zmin映射至区间参数向量h空间内，并计算响应向量P的区间界限向量PI；第九步：利用第八步得到的响应向量区间界限PI与声压级要求SI计算区间可靠性R，与第二步中给定的临界可靠性Rc比较，判断目标函数的收敛条件；若不满足优化算法规则，则索引K增加1，更新设计变量并进入第三步；若满足优化算法规则，输出最优方案。所述方法以区间模型实现了结构声辐射分析与优化中的不确定性定量化。所述方法采用逐维分析策略计算以区间模型定量化的不确定参数对结构声辐射分析问题中相关响应的影响规律。所述方法建立了统一格式的区间可靠性分析模型，并基于该可靠性分析模型将含区间参数的结构噪声优化模型进行了转化与求解。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术可以处理相关参数在试验数据样本容量有限条件下结构声辐射分析与优化问题，弥补了随机优化方法的不足；(2)本专利技术克服了基于摄动理论的结构声辐射分析仅适用于不确定参数小范围波动的限制，具有更广泛的适用性；(3)本专利技术以区间可靠性模型为度量，在很大程度上避免了传统的基于安全因子的结构噪声优化方法的保守性，迎合了各学科高精度分析发展趋势。附图说明图1为基于逐维分析策略的结构噪声可靠性优化的基本原理图；图2为基于逐维分析策略的结构噪声可靠性优化的流程图；图3为机身简化圆柱体结构的构型图；图4为不同优化方案的比较与评估图；图5为关键设备特征频率邻域内不同优化方案的比较与评估图。具体实施方式下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本专利技术。本专利技术一种基于逐维分析策略的结构噪声可靠性优化的方法，以利于改善薄壁结构围合而成的舱室内部关键设备在声振载荷作用下的安全性或舱室内部乘员的舒适性。该方法以区间模型实现结构声辐射分析与优化问题中相关不确定性的定量化，利用逐维分析策略计算区间参数对结构声学响应特性的影响规律，结合工程安全性要求并通过统一格式的区间可靠性分析模型完成不确定结构声学响应的可靠性转化，利用优化算法实现满足给定安全性要求前提下的结构优化。首先，以区间数模型定量化结构及环境等的不确定性，建立基于区间可靠性分析模型的结构噪声优化模型，基于结构声学等响应关于区间参数的非线性程度确定响应关于区间参数的最佳平方逼近的阶数及高斯积分点。其次，以高斯积分点与区间数模型对区间参数向量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于逐维分析策略的结构噪声可靠性优化的方法，其特征在于包括以下步骤：第一步：确定结构噪声优化设计变量向量x所包含的具体变量，包括长度变量与厚度变量，与设计参数向量h所包含的具体参数包括环境温度与材料密度；根据设计参数向量h的试验数据以区间模型定量化为区间参数向量hI；第二步：确定封闭结构内部关键设备的固有频率ω0与空间位置；确定关键设备正常运行条件下声压级S范围SI及临界可靠性Rc；确定结构噪声可靠性优化目标函数f(x,h)，建立相应的区间可靠性优化模型，选择拟采用的优化算法；第三步：根据第一步中设计变量向量x所包含的具体变量而给定优化迭代索引K的初值及第K个迭代步的设计变量值x(K)；第四步：根据第二步中关键设备固有频率ω0与空间位置，确定响应向量P所包含的具体响应是不同空间位置不同频率点处的声压级，评估各响应关于设计参数向量h的非线性程度，确定响应向量P关于每个设计参数最佳平方逼近的阶数N、高斯积分点个数s及高斯积分点利用第一步中区间参数向量hI和高斯积分点对设计参数向量h抽样，将设计参数向量样本点存储于样本点分块矩阵Mh中；第五步：将第三步中给定的设计变量值x(K)与第四步中得到的样本点分块矩阵Mh逐行代入响应向量P的数值分析模型中，计算响应向量P在每个区间参数向量样本点处的响应值，并存储于响应分块矩阵Mp中；第六步：根据第五步中得到的响应分块矩阵Mp及基于勒让德多项式的最佳平方逼近理论建立响应向量P的第l个分量关于第i个区间参数的最佳平方逼近A(l,i)(z)；第七步：利用第六步中得到的最佳平方逼近A(l,i)(z)计算响应向量P的第l个分量关于第i个区间参数的最大值点和最小值点遍历所有响应分量以获得响应向量P关于第i个区间参数的最大值点列向量和最小值点列向量遍历所有区间参数，获得响应向量P的最大值点矩阵Zmax和最小值点矩阵Zmin；第八步：将第七步得到的响应向量P的最大值点矩阵Zmax和最小值点矩阵Zmin映射至区间参数向量h空间内，并计算响应向量P的区间界限向量PI；第九步：利用第八步得到的响应向量区间界限PI与声压级要求SI计算区间可靠性R，与第二步中给定的临界可靠性Rc比较，判断目标函数的收敛条件；若不满足优化算法规则，则索引K增加1，更新设计变量并进入第三步；若满足优化算法规则，输出最优方案。...

【技术特征摘要】
1.一种基于逐维分析策略的结构噪声可靠性优化的方法，其特征在于包括以下步骤：第一步：确定结构噪声优化设计变量向量x所包含的具体变量，包括长度变量与厚度变量，与设计参数向量h所包含的具体参数包括环境温度与材料密度；根据设计参数向量h的试验数据以区间模型定量化为区间参数向量hI；第二步：确定封闭结构内部关键设备的固有频率ω0与空间位置；确定关键设备正常运行条件下声压级S范围SI及临界可靠性Rc；确定结构噪声可靠性优化目标函数f(x,h)，建立相应的区间可靠性优化模型，选择拟采用的优化算法；第三步：根据第一步中设计变量向量x所包含的具体变量而给定优化迭代索引K的初值及第K个迭代步的设计变量值x(K)；第四步：根据第二步中关键设备固有频率ω0与空间位置，确定响应向量P所包含的具体响应是不同空间位置不同频率点处的声压级，评估各响应关于设计参数向量h的非线性程度，确定响应向量P关于每个设计参数最佳平方逼近的阶数N、高斯积分点个数s及高斯积分点利用第一步中区间参数向量hI和高斯积分点对设计参数向量h抽样，将设计参数向量样本点存储于样本点分块矩阵Mh中；第五步：将第三步中给定的设计变量值x(K)与第四步中得到的样本点分块矩阵Mh逐行代入响应向量P的数值分析模型中，计算响应向量P在每个区间参数向量样本点处的响应值，并存储于响应分块矩阵Mp中；第六步：根据第五步中得到的响应分块矩阵Mp及基于勒让德多项式的最佳平方逼近理论建立响应向量P...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱志平，许孟辉，王晓军，王冲，王磊，李云龙，仇翯辰，陈贤佳，郑宇宁，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11