考虑随机和认知混合不确定性的航空发动机燃烧效率灵敏度分析

针对燃烧室初步设计阶段输入参数存在混合不确定性的特点,提出一种概率盒框架下的全局灵敏度分析方法。简单介绍了航空发动机燃烧效率的一维计算方法;在随机和认知混合不确定性的概率盒表征基础上,使用Sobol指标的上下限表征概率盒中随机与认知混合不确定性对响应的贡献程度;最后基于双层嵌套蒙特卡洛/非嵌入式多项式混沌展开（Monte Carlo Simulation/Non-intrusive Polynomial Chaos Expansion,MCS/NIPCE）方法对概率盒灵敏度指标进行求解,筛选出重要变量和次要变量,实现模型的降维。通过某航空发动机燃烧效率的全局灵敏度分析对所提出的方法进行了验证。研究结果表明,Sobol指标的上下限可以显著表征概率盒灵敏度指标,在保证计算精度的前提下,双层MCS/NIPCE方法的计算效率要远远高于传统双层蒙特卡洛（Monte Carlo Simulation, MCS/MCS）方法,可获得考虑随机和认知混合不确定性情况下燃烧效率输入参数的重要性排序。     

湍流燃烧机理和调控的活性子空间分析方法

高效、低排放等需求促使发动机燃烧趋于近极限燃烧组织,亟需在稳定可控燃烧方面取得突破。湍流燃烧机理复杂,影响湍流燃烧数值模拟预测的物理化学和初始/边界条件参数众多。但是在该高维映射关系中,预测目标量往往仅在输入参数空间中的少数方向上梯度显著,称之为活跃方向。当活跃方向与空间基的方向不一致时,采用传统的全局敏感性方法难以高效地分析出主控参数以及后续的湍流燃烧机理。而活性子方法可以通过梯度的协方差矩阵特征分解得到上述活跃方向。本文综述了活性子空间方法理论及在湍流燃烧模拟中的应用：即探究海量输入参数空间中的活跃方向,构造低维活性子空间和低维响应面,从而高效地量化模拟不确定性、表征主控物理过程,从而揭示湍流燃烧机理。最后,进一步探讨了基于活性子空间分析方法的湍流燃烧调控。     

非参数化概率盒下随机与认知不确定性的分离式灵敏度分析

灵敏度分析（SA）能辨识影响复杂系统响应的关键参数，为系统的稳健设计提供决策依据。非参数化概率盒作为一种典型的不精确概率模型，可以同时量化随机和认知2类不确定性，且在实际工程中应用广泛。由于非参数化概率盒耦合了随机和认知不确定性，非参数化概率盒下灵敏度分析方法能阐明输入概率盒的随机和认知不确定性对系统响应不确定性的影响程度。从随机与认知不确定性分离式角度出发，提出了一种非参数化概率盒下分离式灵敏度分析（SSA）方法。构建了格点法和期望值法分离非参数化概率盒的随机和认知不确定性，采用双层嵌套不确定性传播算法建立输出响应的概率盒，提出了最大方差和面积度量指标分别衡量系统输入的随机、认知不确定性对输出的随机、认知不确定性的影响。以NACA0012翼型升阻比预测为例，分析了来流参数和湍流模型参数的随机、认知不确定性对升阻比的随机、认知不确定性的影响。     

基于概率方法的航天器姿态控制系统参数设计

针对传统航天器控制系统参数设计方法中存在的设计保守、主观经验性较强等缺点,使用概率分布对参数不确定性进行量化描述,采用概率指标代替确定性指标,对参数随机分布的系统进行概率分析,并使用可行域图对设计空间进行表征。在此基础上,应用概率优化方法对控制器参数进行优化设计。最后,通过实例对提出的方法进行仿真验证。仿真结果表明,概率分析方法能够放宽参数的设计空间,通过概率优化方法可以得到满足概率指标要求的设计结果,提高了设计效率。     

基于失效概率的涡轮后机匣全局灵敏度分析

涡轮后机匣是航空发动机安全的关键部件,但是其具有工况复杂、不确定性因素多的缺点。为了探究输入随机变量的不确定性对涡轮后机匣结构失效概率的影响,建立参数化有限元模型进行确定性分析。考虑材料性能、几何参数及外部载荷的不确定性,对涡轮后机匣两种典型失效模式：强度失效以及刚度失效建立极限状态函数;通过构造自适应Kriging 代理模型并结合重要抽样方法评估涡轮后机匣结构失效概率,利用基于失效概率的全局灵敏度方法对涡轮后机匣结构可靠度的不确定性来源进行分析,对各输入随机变量重要性进行排序,构建一种涡轮后机匣全局灵敏度分析框架。结果表明：涡轮后机匣在两种失效模式以及系统失效模式下,发动机推力以及线性膨胀系数对结构失效概率影响最为显著,应对其重点考虑;内外机匣长度以及材料弹性模量对涡轮后机匣结构失效概率影响较小,可对其适当忽略。     

基于交叉熵和空间分割的全局可靠性灵敏度分析

基于失效概率的全局灵敏度分析可以度量各个基本随机变量的不确定性对失效概率的影响程度,对如何降低结构的失效概率具有指导意义。基于交叉熵方法和空间分割提出一种新全局可靠性灵敏度分析方法。该方法采用交叉熵法自适应的确定重要抽样密度函数,有效地回避了传统重要抽样中设计点位置和个数求解的困难。基于评估失效概率所使用的样本,利用空间分割方法计算各个输入随机变量的全局可靠性灵敏度指标,能够提高样本的利用率和计算效率。文中利用一个数值算例和两个工程算例验证了所提方法的计算效率和精度。     

失效概率矩独立全局灵敏度分析的高效算法

失效概率矩独立全局灵敏度分析对指导可靠性优化至关重要，本文从乘法降维及Edgeworth级数展开的角度提出一种失效概率矩独立全局灵敏度指标分析的高效算法。所提算法通过Edgeworth级数展开将失效概率矩独立全局灵敏度指标的求解转化为输出无条件及条件前四阶整数矩的求解。对于输出的无条件及条件四阶矩的计算，基于乘法降维的思想，本文推导了重复利用计算输出的无条件矩的输入输出样本来计算条件矩以及外层关于输入变量一维积分的计算公式，使得仅需重复利用输出无条件前四阶矩求解产生的积分网格内的数据即可同时求得输出的前四阶条件矩以及外层关于输入变量的一维积分。所提算法大大提高了失效概率矩独立全局灵敏度的分析效率。航空发动机涡轮盘以及汽车前轴的分析结果验证了所提算法的高效性及准确性。     

基于新型高维代理模型的气动外形设计方法

随着现代飞行器性能需求的不断提高，飞行器精细化气动优化设计要求更高可信度的CFD数值分析及更多的独立设计变量，使得基于代理模型的全局优化算法在超过一定的设计变量后显著降低了效率，难以满足复杂工程的设计需求。而目前的高维代理模型过程复杂、时间花费高，缺乏对工程问题的广泛适应性。针对以上难题，提出了利用监督式非线性降维代理建模方法来缓解代理优化过程中的高维变量设计难题。该方法将核主成分分析（非线性）降维与高斯回归过程模型统一训练，自适应构建新型高维代理模型，并随着优化过程不断学习改进模型，建立了从高维输入到输出的准确映射，有效解决了传统高维代理模型训练时间花费高和适应性差等难题。然后基于该新型代理模型发展了适用于飞行器复杂气动设计的高维全局优化设计方法，并将其应用到美国航空航天学会（AIAA）优化小组发布的2个复杂跨声速优化算例中。通过与传统代理优化方法全面比较，验证了所提的方法能大幅提高飞行器高维变量全局优化效率和全局寻优能力。     

基于数值模拟的工程设计中参数不确定性表征方法研究综述

现代工程设计大量使用数值模拟技术，然而数值模拟中仿真模型、几何参数、工作载荷、环境条件等均存在不确定性，这些不确定性直接影响数值模拟结果的可信度，尤其在研发对性能和可靠性要求严苛的装备时，忽略这些不确定性将产生潜在风险，因此在基于数值模拟的工程设计中开展不确定性量化意义重大。不确定性表征既是准确开展不确定性量化和优化设计工作的前提，也是工程精细化设计的重要支撑。本文阐述了基于数值模拟的工程设计中所面临的不确定性因素，根据不确定性因素的表现形式和可用信息，按照概率表征和非概率表征两大类总结了目前主流的参数不确定性表征方法，介绍了各种表征方法的基本思想、主要原理、适用范围以及方法在工程实践中的发展和应用，并简要阐述基于不确定性表征结果进行不确定性传播的基本思路，最后对不确定性表征的研究方向进行了展望。     

概率安全评估和可靠性分析中故障树的重要度分析

概率安全评估中故障树的临界重要度和可靠性分析中全局灵敏度指标都可以用来表征基本事件的重要程度。两种重要度分析之间有哪些区别和联系?首先,简述概率安全评估中故障树的定性及定量分析过程;然后,介绍故障树问题在可靠性评估中的失效概率计算及全局灵敏度指标的定义;最后,通过对三个飞机系统的故障树进行分析。结果表明:概率安全分析与可靠性分析得出的系统故障的概率基本一致,而由于引入基本事件发生概率的随机性,使得基本事件的重要性排序发生变化,甚至带来颠覆性的重要性排序,并且随机分布类型和分布参数对全局灵敏度指标的影响也是需要考虑的。     

基于贝叶斯理论的低循环疲劳寿命模型不确定性量化

为量化低循环疲劳寿命模型中的不确定性因素,利用贝叶斯理论,采用经典的模型校准形式确立了寿命模型的不确定性量化形式,并结合正态性检验对误差项进行验证;应用马尔可夫链-蒙特卡罗(MCMC)算法获得了模型参数后验分布的抽样样本,在小子样试验数据条件下确定了低循环疲劳寿命的95%不确定性区间,较好地覆盖了寿命的分散性;对参数样本进行了相关性分析,并将异方差回归概率模型与贝叶斯概率模型进行了比较。最后,利用Morris全局灵敏度分析方法获得了Manson-Coffin模型参数的全局灵敏度指标;同时,验证了在模型参数对先验信息敏感,或者说在先验信息影响极大的情况下,采用无信息先验处理方法的合理性。     

A novel method for importance measure analysis in the presence of epistemic and aleatory uncertainties

For structural systems with both epistemic and aleatory uncertainties, research on quantifying the contribution of the epistemic and aleatory uncertainties to the failure probability of the systems is conducted. Based on the method of separating epistemic and aleatory uncertainties in a variable, the core idea of the research is firstly to establish a novel deterministic transition model for auxiliary variables, distribution parameters, random variables, failure probability, then to propose the improved importance sampling(IS) to solve the transition model. Furthermore,the distribution parameters and auxiliary variables are sampled simultaneously and independently;therefore, the inefficient sampling procedure with an ‘‘inner-loop' for epistemic uncertainty and an‘‘outer-loop' for aleatory uncertainty in traditional methods is avoided. Since the proposed method combines the fast convergence of the proper estimates and searches failure samples in the interesting regions with high efficiency, the proposed method is more efficient than traditional methods for the variance-based failure probability sensitivity measures in the presence of epistemic and aleatory uncertainties. Two numerical examples and one engineering example are introduced for demonstrating the efficiency and precision of the proposed method for structural systems with both epistemic and aleatory uncertainties.     

Epistemic uncertainty quantification in flutter analysis using evidence theory

Aimed at evaluating the structural stability and flutter risk of the system, this paper manages to quantify epistemic uncertainty in flutter analysis using evidence theory, including both parametric uncertainty and method selection uncertainty, on the basis of information from limited experimental data of uncertain parameters. Two uncertain variables of the actuator coupling system with unknown probability distributions, that is bending and torsional stiffness, which are both described with multiple intervals and the basic belief assignment(BBA) extricated from the modal test of actuator coupling systems, are taken into account. Considering the difference in dealing with experimental data by different persons and the reliability of various information sources, a new combination rule of evidence––the generalized lower triangular matrices method is formed to acquire the combined BBA. Finally the parametric uncertainty and the epistemic uncertainty of flutter analysis method selection are considered in the same system to realize quantification. A typical rudder of missile is selected to examine the present method, and the dangerous range of velocity as well as relevant belief and plausibility functions is obtained. The results suggest that the present method is effective in obtaining the lower and upper bounds of flutter probability and assessing flutter risk of structures with limited experimental data of uncertain parameters and the belief of different methods.     

小失效概率情况下的全局可靠性灵敏度分析的高效方法

针对目前很多算法都无法准确、高效地计算小失效概率（10^-4,甚至更小）情况下的全局可靠性灵敏度问题,本文提出了一种高效求解小失效概率情况下的全局可靠性灵敏度新算法。所提算法通过扩大标准差构造重要抽样密度函数来进行空间分割（SP）,再与无迹变换（UT）结合,利用函数在分割后的子空间内非线性程度的降低和无迹变换方法可以高效计算低非线性程度函数的前二阶矩,来高效准确地计算小失效概率情况下的全局可靠性灵敏度。所提算法的优点有：重要抽样密度函数的选择可以使得空间分割时向重要区域偏移,并且在分割区域内功能函数的复杂性被降低,从而可以利用无迹变换方法高效计算失效概率,进而高效求得全局可靠性灵敏度。与已有的算法相比,算例说明了本文所提方法的优势。     

基于灵敏度分析的可调静叶调节机构运动精度优化

为提升高负荷多级轴流压气机静叶调节机构的运动精度，针对5级联调构型，梳理了37个对调节精度可能存在影响的 参数，提出了一种基于局部灵敏度分析的参数降维预处理优化方法。通过局部灵敏度分析认识各参数对调节精度的影响规律，甄 选重要参数，依靠自主优化程序与多体运动学软件联合的技术途径并采用SQP算法对机构进行优化：仅采用相对灵敏度影响最大 的9个参数进行优化时，调节精度达到0.4020°；采用剔除13个绝对灵敏度最小参数后的参数进行优化时，调节精度优化达到 0.2000°；而采用全部37个参数进行优化后，调节精度依然为0.2000°。结果表明：所提出的降维预处理优化方法能够在保证运动 精度的同时有效减小计算规模，联合优化的方式较传统虚拟样机优化具有更高的精度。     

认知不确定性下可靠性灵敏度分析的新指标

传统的可靠性灵敏度指标只考虑了随机不确定性,当结构中还存在认知不确定性时,该指标难以反映出基本变量中认知不确定性对结构可靠性评估结果的影响程度.针对这一问题,引入概率包络来表达结构中的随机不确定性和认知不确定性,在此基础上建立了可靠性灵敏度分析的新指标——认知灵敏度系数,给出了其定义和代表的意义,并基于证据理论提出了认知灵敏度系数的计算方法.算例分析表明,认知灵敏度系数可以反映出基本变量中认知不确定性对结构可靠性评估结果的不确定性的影响程度,从而为有针对性地提高可靠性评估结果的准确性提供依据.另外,基于证据理论的认知灵敏度系数的计算方法适用于极限状态函数为单调、非单调的结构,以及变量服从正态、非正态的结构,具有普适性.     

民用飞机平尾载荷的不确定性及全局灵敏度分析

针对飞行载荷计算输入数据的随机不确定性会导致载荷计算结果波动的现象,采用Monte Carlo模拟方法和基于方差的全局灵敏度分析方法对民用飞机急剧俯仰机动随机平尾载荷进行不确定性及全局灵敏度分析。具体分析了飞机气动特性和重心的不确定性对迎角贡献平尾载荷、升降舵偏度贡献平尾载荷及平尾总载荷的影响,进一步通过全局灵敏度分析找出影响平尾载荷计算结果的主要因素。不确定性分析结果表明:气动特性和重心的不确定性导致迎角贡献平尾载荷的波动程度很大。灵敏度分析结果表明:1)升降舵偏度贡献平尾载荷只受升降舵效率的影响;2)迎角贡献平尾载荷主要受无尾飞机零迎角俯仰力矩系数和重心的影响;3)平尾总载荷受升降舵效率的影响最大,受无尾飞机零迎角俯仰力矩系数及重心的影响次之。此外也验证了方法的有效性,对提高飞行载荷的计算精度有一定的指导意义。