基于满意度函数的复杂装备产品参数优化设计研究开题报告

1. 研究目的与意义

随着科学技术和工业生产的迅猛发展,产品质量越来越成为企业获得成功的关键因素。复杂装备产品作为一种技术密集度高的精密产品，广泛应用于航天航空、武器系统、航空母舰等高新技术领域。在实际工程应用中复杂装备产品质量特性的稳定性，往往受到内部设计参数和外部噪声因素的不确定性影响，稳健性优化设计作为持续质量改进的重要支撑技术，在产品开发设计过程中加以实施，能够有效的提高产品质量，从而获得具备稳健最优的复杂装备产品。随着问题的复杂化，针对多个质量特性的稳健性设计优化，也就是多目标问题的优化设计越来越显示其重要的理论价值和应用背景。进行复杂装备产品参数优化设计研究能够有效解决复杂装备设计过程中的许多关键问题，从而为我国民用和国防工程中复杂装备在产品设计定型之前进行预测、仿真和优化产品性能质量，为解决我国复杂装备的设计和研发提供了有效途径、技术支持和应用示范，应用于更多的复杂装备领域，从而推动我国机械装备行业的发展创新和科技进步，因此关于复杂装备产品参数优化设计技术及工程应用的研究有着十分重要的理论意义和实际价值，具有广泛的应用前景。

复杂装备产品具有子产品多、产品结构复杂、设备耗费高等特点，并且对结构可靠性要求也比较高。在工程实践中，存在着多种不同来源、不同类型的不确定性因素，一些噪声因素也会影响质量特性的输出，降低其稳健性。而参数设计是稳健性设计的核心，只有在复杂装备产品参数设计过程中充分考虑这些不确定性因素，才有可能获得真正高性能的装备，降低质量损失。本文从减小过程波动、提高稳健性角度出发，提出一种基于满意度函数的多目标优化设计方法，将满意度函数方法引入复杂装备产品参数优化设计中，以降低复杂装备产品结构对噪声因素随机波动的敏感性，提高复杂装备产品质量特性输出的稳健性。

2. 研究内容和预期目标

2.1 研究内容

本文主要研究复杂装备产品参数优化设计问题，应用的原理方法主要有满意度函数、稳健优化理论，并通过Minitab软件及MATLAB软件实现计算求解。满意度函数建模是一种以满意度为目标的优化决策模型。该方法通过引入满意度函数的目标指标，建立相应的质量参数优化模型，给出符合满意度要求的解决问题的优化设计方案。

本文旨在获得多元相关质量特性问题的稳健最优解，这样的解对现实中的某些误差扰动不敏感，从而对复杂装备产品参数优化设计更具实际意义。对多目标优化问题，当每个目标的解之间存在矛盾或者各目标之间的解有冲突时，各个目标就不可能都达到最优，最优解实际上是不存在的，因此本文提出基于满意度原理的多目标优化方法。本文首先从分析多目标优化设计问题的特点入手，把一个复杂的问题进行有效的拆分，建立对满意度函数模型，将综合满意度函数作为优化目标函数，由此来实现多目标问题的稳健性设计优化。

3. 国内外研究现状

对于复杂装备产品优化设计方面的研究主要集中于结构和系统可靠性的设计和优化，国内外研究中使用了多种方法和理论，并综合考虑多种质量特性的优化问题。郏维强等（2012）提出一种面向维修的复杂装备模块化设计方法，通过综合考虑约束条件建立面向维修的模块化设计模型，并采用混合多目标蛙跳算法对模型进行优化求解得到一系列Pareto最优解，并利用基于信息熵理论的Pareto优选方法获取最终的模块化设计方案。 任鑫等（2015）研究解决了复杂装备系统可靠度和冗余度分配最优化问题，通过遗传算法对非线性连续变量和离散变量进行混合求解给出了在相应资源约束条件下，提高串并联混合系统的可靠度及经济性的有效优化判定模型及算法。万良琪等（2017）为解决柔顺复杂装备精密产品在不确定性结构参数情形下其多质量特性波动与冲突的工程难题，提出一种灰色关联多项式混沌扩展稳健优化设计新方法。陈洪转等（2019）提出一种面向复杂装备柔顺机构精密产品可靠性优化设计模型，通过有限元数值模拟获取各试验设计组合方案的质量特性值，引入基于可靠性优化设计策略，构建面向复杂装备柔顺机构精密产品Kriging-RBDO可靠性优化设计模型，在不确定设计参数情形下的复杂装备柔顺机构精密产品早期质量设计方面具有良好的抗疲劳退化特性。周奇，杨扬等（2020）利用变可信度近似模型融合不同精度分析模型的数据，探究变可信度近似模型及其在复杂装备优化设计中的应用。对复杂装备产品参数进行优化设计可以从源头方面优化产品结构，处理复杂装备不确定性设计参数与其质量特性的非线性关系问题，也可为下一步的可靠性预测、灵敏度分析奠定基础。

针对相关多响应的稳健性优化，目前已有运用田口质量损失函数和以满意度函数为基础的优化设计方法。汪健均（2011）在运用田口质量损失函数度量多质量特性的稳健性基础上，提出使用多变量偏最小二乘回归模型处理此类问题的新方法有效地处理相关多质量特性的优化设计问题。张流洋（2015）将主成分分析和似然不相关回归结合，研究了协变量之间以及多响应之间同时存在相关性的问题，考虑了多响应的最优性与稳健性，将相关多响应优化问题转化为求解相应情况下的综合满意度函数最大值的问题。

其中应用更多的是利用满意度函数解决多响应优化问题的方法，研究的重点在于稳健性指标的建立，越来越多的学者将多种理论结合改进优化模型，不同的学者研究的满意度函数优化方法也存在一定的差异。Lee（2003）等人在满意度函数中引入过程能力这一指标来实现过程中所有响应的稳健性。Shah（2004）指出当响应之间的相关性较大时，满意度函数法得到的结果不准确。Wu（2004）探讨了不同响应之间的相关性，并提出将满意度函数和田口损失函数结合来建立优化模型。何祯（2006）用置信区间来作为稳健性的一个衡量标准，考虑了响应的方差-协方差结构，对满意度函数进行了改进。Kim和Lin（2007）通过满意度函数法对所有响应的位置模型u和散度模型σ进行了同时优化。Jeong和Kim（2008）提出使用最大最小化满意度函数的方法对多响应参数进行优化，在满意度函数的方法中引入IDFA的方法。朱鹏飞（2011）考虑了因子容差扰动对参数设计的影响，结合遗传算法和模式搜索算法对其进行优化。张流洋（2014）提出了同时考虑主观、客观权重对满意度函数进行优化。刘玉敏（2015）引入噪声因素对传统的满意度模型进行改进。Salmasnia（2015）同时考虑了实际工程中输入和输出之间的关系建立一种基于满意度函数法的新型稳健参数设计。周胜男等（2014）、仝丽兵等（2017）均结合改进满意度函数和双响应曲面模型提出一种新的优化设计方法，分别构建基于均值和方差的满意度函数，利用熵权理论提取各响应客观权重，运用混合遗传算法对所构建的整体满意度函数（考虑位置效应和散度效应）进行参数优化，得到可控因子的最优参数设计值，减少了过程的波动。伍建军（2017）应用熵权理论构建了改进的综合满意度函数，并采用广义降阶梯度法求最优解，又结合田口设计及满意度方法对柔性装置的稳健性优化设计进行了研究。

4. 计划与进度安排

本文拟于2022年1月2日开题论证，于3月19日前完成初稿，并按照满意度函数的参数优化设计流程确定研究具体计划及进度安排。

5. 参考文献

[1]郏维强,冯毅雄,谭建荣,安相华,赵鑫.面向维修的复杂装备模块智能聚类与优化求解技术[J].计算机集成制造系统,2012,18(11):2459-2469.

[2]任鑫,谭新建,王辉立,张凯,杨翊方.复杂装备系统可靠度和冗余度分配优化分析[J].四川兵工学报,2015,36(10):67-70.

[3]万良琪,陈洪转,欧阳林寒,张笛,李亚平.复杂装备精密产品Grey-PCE多质量特性稳健优化设计[J].系统工程与电子技术,2018,40(02):472-481.

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