一种空间飞网装置参数优化设计系统和优化方法制造方法及图纸

一种空间飞网装置参数优化设计系统，包括人机交互模块M1，控制与计算模块M2，数据库模块M3和后处理模块M4；人机交互模块M1将输入的优化模型的参数、运行环境参数和指令信息记录并传递给控制与计算模块M2，控制与计算模块M2根据这些信息从数据库模块M3选择优化算法、模型函数，再通过控制与计算模块M2的优化子模块更新设计点，控制与计算模块M2的仿真分析子模块计算新设计点的仿真结果，通过循环计算获得最优设计点；后处理模块M4读取最优设计和寻优过程信息并进行分析；用户通过人机交互模块M1查看后处理模块M4分析与汇总的结果；一种空间飞网装置参数优化方法，它有六大步骤。本发明专利技术在航天技术领域里具有应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种空间飞网装置参数优化设计系统和优化方法
本专利技术涉及一种空间飞网装置参数优化设计系统和优化方法，该优化系统可以快速地完成空间飞网装置参数的优化设计，属于航天
技术背景随着人类对空间资源的利用，空间碎片的数量逐渐增加，对在轨正常运行的航天器构成了严重的威胁，空间飞网装置就是为了清除空间碎片而设计的一类装置，其目的主要是通过直接抛射展开一张面积较大的柔性网来包覆较大的空间碎片，以实行空间碎片的离轨。空间飞网装置的捕获效果是有柔性网的展开效果决定，而柔性网的展开效果的关键因素是空间飞网装置的相关设计参数，例如发射速度与角度。
技术实现思路
1.目的：本专利技术的目的是为了提供一种空间飞网装置参数优化设计系统和优化方法，它可以快速地获得空间飞网装置最佳的参数组合，实现柔性网的最佳展开效果。2.技术方案：为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案(1)本专利技术一种空间飞网装置参数优化设计系统，OptimizationPlatformforaSpaceNetCaptureSystemV1.0，简称OPSNCSV1.0，包括以下4个部分：OPSNCSV1.0人机交互模块M1，OPSNCSV1.0控制与计算模块M2，OPSNCSV1.0数据库模块M3和OPSNCSV1.0后处理模块M4。这四个模块之间的关系是：OPSNCSV1.0人机交互模块M1将用户输入的优化模型的参数、运行环境参数和软件运行控制指令等信息记录并传递给OPSNCSV1.0控制与计算模块M2，OPSNCSV1.0控制与计算模块M2根据这些信息从OPSNCSV1.0数据库模块M3选择优化算法、试验设计方法、近似模型函数等，再通过OPSNCSV1.0控制与计算模块M2的优化子模块更新设计点，OPSNCSV1.0控制与计算模块M2的仿真分析子模块计算新设计点的仿真结果，通过这种循环计算获得最优设计点。OPSNCSV1.0后处理模块M4读取最优设计点、最优设计和寻优过程的信息，并进行分析。用户可通过OPSNCSV1.0人机交互模块M1查看OPSNCSV1.0后处理模块M4分析与汇总的结果。下面详细说明各部分的结构与功能：所述OPSNCSV1.0人机交互模块M1是用户对软件进行设置、控制与查看的模块，包括以下三个子模块：优化定义模块M11，运行环境参数设置模块M12，软件运行控制工具M13。它们之间的关系是相互并列的。该优化定义模块M11是对空间飞网装置参数优化中设计变量、优化目标和设计约束的定义。在优化定义模块M11中，定义了空间飞网装置中牵引块、舱盖和空间网的发射参数等6个设计变量。数学表达如下：X＝{mTm,，mh，vTm，θTm，vh}；其中，X为设计变量组，由五个变量组成：mTm为空间飞网装置中牵引块的质量，浮点变量，单位为kg；mh为空间飞网装置中网舱盖的质量，浮点变量，单位为kg；vTm为空间飞网装置中牵引块发射速度的大小，浮点变量，单位为m/s；θTm为空间飞网装置中牵引块发射速度的角度，浮点变量，单位为度；vh为空间飞网装置中牵引块发射速度的大小，浮点变量，单位为m/s。各变量的取值范围需要根据空间飞网装置的结构、材料、工况以及捕获任务等设定。在优化定义模块M11中，定义了空间飞网装置参数优化目标，也即通过优化设计变量，使得空间网在指定距离处展开到最大面积，数学表达如下：Max(A)其中，A为A为空间网在指定位置处展开的面积，单位为m2。在优化定义模块M11中，定义了设计约束，分别从空间网的强度和展开过程的效果出发，强度满足空间网的材料性能，以空间网的最大内应力小于材料的许用应力作为约束，展开效果要求空间网在展开过程中不出现空间网面积收缩和空间网缠绕的情况，以空间网在到达指定位置前展开面积变化率大于零作为约束。其数学表达式如下：C＝(c1,…,cm,ac1,…,ack)；其中，C为约束条件，由2部分组成：c1,…,cm为强度约束，分别对应着空间网的各段网绳的最大应力小于网绳材料的许用应力；ac1,…,ack为空间网展开过程的效果约束，对应的是在空间网在到达指定位置前的各个时刻空间网展开面积变化率应大于零。各约束具体取值与空间网的材料属性、发射参数等有关。该运行环境参数设置模块M12是对空间飞网装置参数优化系统OPSNCSV1.0运行环境进行设置的模块。包括求解器的选择、文件存储路径的设置等。该软件运行控制工具M13是对空间飞网装置参数优化系统OPSNCSV1.0运动过程的检查、开始、中止、终止过程的控制模块。所述OPSNCSV1.0控制与计算模块M2是空间飞网装置参数优化系统的核心模块，实现对优化过程中数据的管理与控制。OPSNCSV1.0控制与计算模块M2包括以下三个子模块：数据管理模块M21，优化模块M22以及仿真分析模块M23。它们之间的关系是相互并列的。该数据管理模块M21实现空间飞网装置参数优化过程数据流的控制，以及访问空间飞网装置参数优化系统的数据库模块M3。该优化模块M22是利用数据管理模块M21选择的优化算法计算出下一个设计方案的程序模块。该仿真分析模块M23是对设计方案进行空间网装置展开过程的仿真与分析。所述OPSNCSV1.0数据库模块M3包括三个子模块：优化算法库M31，试验设计方法库M32，近似模型函数库M33。它们之间的关系是相互并列的。该优化算法库M31是包括常用的全局算法如多岛遗传算法和常用的梯度算法如SQP的算法数据库。其中SQP算法是序列二次规划算法的英文缩写。该试验设计方法库M32是包括常用的试验设计方法的方法数据库，如正交试验设计方法。该近似模型函数库M33是包括数据拟合常用函数的函数数据库，如多项式响应面函数。所述OPSNCSV1.0后处理模块M4包括两个子模块：结果读取模块M41和结果分析模块M42。它们之间的关系是相互并列的。该结果读取模块M41是在优化循环停止后，查询优化和仿真结果文件并提取最优设计结果的程序模块。该结果分析模块M42是根据结果读取模块M41读取到的信息，分析优化结果的可信度的程序模块。(2)本专利技术一种空间飞网装置参数优化方法，该方法具体步骤如下：步骤一：空间飞网装置参数优化模型定义S1；其中，优化模型S1的定义包括优化目标函数S11，优化约束条件S12，优化设计变量S13，三者之间是并列关系。优化目标函数S11是指空间飞网装置参数优化的目标，也就是空间网在指定距离处展开到最大面积，其数学表达式如下：Max(A)；其中，A为空间网在指定位置处展开的面积，单位为m2。优化约束条件S12是指空间飞网装置参数优化的约束条件，分别从空间网的强度和展开过程的效果出发，强度满足空间网的材料性能，以空间网的最大内应力小于材料的许用应力作为约束，展开效果要求空间网在展开过程中不出现空间网面积收缩和空间网缠绕的情况，以空间网在到达指定位置前展开面积变化率大于零作为约束。其数学表达式如下：C＝(c1,…,cm,ac1,…,ack)；其中，C为约束条件，由2部分组成：c1,…,cm为强度约束，分别对应着空间网的各段网绳的最大应力小于网绳材料的许用应力；ac1,…,ack为空间网展开过程的效果约束，对应的是在空间网在到达指定位置前的各个时刻空间网展开面积变化率应大于零。各约束具体取值与空间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空间飞网装置参数优化设计系统，其特征在于：它包括以下4个部分：OPSNCS V1.0人机交互模块M1，OPSNCS V1.0控制与计算模块M2，OPSNCS V1.0数据库模块M3和OPSNCS V1.0后处理模块M4；OPSNCS V1.0人机交互模块M1将用户输入的优化模型的参数、运行环境参数和软件运行控制指令信息记录并传递给OPSNCS V1.0控制与计算模块M2，OPSNCS V1.0控制与计算模块M2根据这些信息从OPSNCS V1.0数据库模块M3选择优化算法、试验设计方法、近似模型函数，再通过OPSNCS V1.0控制与计算模块M2的优化子模块更新设计点，OPSNCS V1.0控制与计算模块M2的仿真分析子模块计算新设计点的仿真结果，通过这种循环计算获得最优设计点；OPSNCS V1.0后处理模块M4读取最优设计点、最优设计和寻优过程的信息，并进行分析；用户可通过OPSNCS V1.0人机交互模块M1查看OPSNCS V1.0后处理模块M4分析与汇总的结果；所述OPSNCS V1.0人机交互模块M1是用户对软件进行设置、控制与查看的模块，包括以下三个子模块：优化定义模块M11，运行环境参数设置模块M12，软件运行控制工具M13，它们之间是相互并列的关系；该优化定义模块M11是对空间飞网装置参数优化中设计变量、优化目标和设计约束的定义；在优化定义模块M11中，定义了空间飞网装置中牵引块、舱盖和空间网的发射参数共6个设计变量，数学表达如下：X＝{mTm,，mh，vTm，θTm，vh}；其中，X为设计变量组，由五个变量组成：mTm为空间飞网装置中牵引块的质量，浮点变量，单位为kg；mh为空间飞网装置中网舱盖的质量，浮点变量，单位为kg；vTm为空间飞网装置中牵引块发射速度的大小，浮点变量，单位为m/s；θTm为空间飞网装置中牵引块发射速度的角度，浮点变量，单位为度；vh为空间飞网装置中牵引块发射速度的大小，浮点变量，单位为m/s；各变量的取值范围需要根据空间飞网装置的结构、材料、工况以及捕获任务设定；在优化定义模块M11中，定义了空间飞网装置参数优化目标，也即通过优化设计变量，使得空间网在指定距离处展开到最大面积，数学表达如下：Max(A)其中，A为A为空间网在指定位置处展开的面积，单位为m2；在优化定义模块M11中，定义了设计约束，分别从空间网的强度和展开过程的效果出发，强度满足空间网的材料性能，以空间网的最大内应力小于材料的许用应力作为约束，展开效果要求空间网在展开过程中不出现空间网面积收缩和空间网缠绕的情况，以空间网在到达指定位置前展开面积变化率大于零作为约束；其数学表达式如下：C＝(c1,…,cm,ac1,…,ack)；其中，C为约束条件，由2部分组成：c1,…,cm为强度约束，分别对应着空间网的各段网绳的最大应力小于网绳材料的许用应力；ac1,…,ack为空间网展开过程的效果约束，对应的是在空间网在到达指定位置前的各个时刻空间网展开面积变化率应大于零；各约束具体取值与空间网的材料属性、发射参数有关；该运行环境参数设置模块M12是对空间飞网装置参数优化系统OPSNCS V1.0运行环境进行设置的模块，包括求解器的选择、文件存储路径的设置；该软件运行控制工具M13是对空间飞网装置参数优化系统OPSNCS V1.0运动过程的检查、开始、中止、终止过程的控制模块；所述OPSNCS V1.0控制与计算模块M2是空间飞网装置参数优化系统的核心模块，实现对优化过程中数据的管理与控制；OPSNCS V1.0控制与计算模块M2包括以下三个子模块：数据管理模块M21，优化模块M22以及仿真分析模块M23，它们之间是相互并列的关系；该数据管理模块M21实现空间飞网装置参数优化过程数据流的控制，以及访问空间飞网装置参数优化系统的数据库模块M3；该优化模块M22是利用数据管理模块M21选择的优化算法计算出下一个设计方案的程序模块；该仿真分析模块M23是对设计方案进行空间网装置展开过程的仿真与分析；所述OPSNCS V1.0数据库模块M3包括三个子模块：优化算法库M31，试验设计方法库M32，近似模型函数库M33；它们之间是相互并列的关系；该优化算法库M31是包括常用的全局算法和常用的梯度算法；该试验设计方法库M32是包括常用的试验设计方法的方法数据库；该近似模型函数库M33是包括数据拟合常用函数的函数数据库；所述OPSNCS V1.0后处理模块M4包括两个子模块：结果读取模块M41和结果分析模块M42；它们之间是相互并列的关系；该结果读取模块M41是在优化循环停止后，查询优化和仿真结果文件并提取最优设计结果的程序模块；该结果分析模块M42是根据结果读取模块M41读取到的信息，分析优化结果的可信度的程序模块。...

【技术特征摘要】
1.一种空间飞网装置参数优化设计系统，其特征在于：它包括以下4个部分：OPSNCSV1.0人机交互模块M1，OPSNCSV1.0控制与计算模块M2，OPSNCSV1.0数据库模块M3和OPSNCSV1.0后处理模块M4；OPSNCSV1.0人机交互模块M1将用户输入的优化模型的参数、运行环境参数和软件运行控制指令信息记录并传递给OPSNCSV1.0控制与计算模块M2，OPSNCSV1.0控制与计算模块M2根据这些信息从OPSNCSV1.0数据库模块M3选择优化算法、试验设计方法、近似模型函数，再通过OPSNCSV1.0控制与计算模块M2的优化子模块更新设计点，OPSNCSV1.0控制与计算模块M2的仿真分析子模块计算新设计点的仿真结果，通过这种循环计算获得最优设计点；OPSNCSV1.0后处理模块M4读取最优设计点、最优设计和寻优过程的信息，并进行分析；用户可通过OPSNCSV1.0人机交互模块M1查看OPSNCSV1.0后处理模块M4分析与汇总的结果；所述OPSNCSV1.0人机交互模块M1是用户对软件进行设置、控制与查看的模块，包括以下三个子模块：优化定义模块M11，运行环境参数设置模块M12，软件运行控制工具M13，它们之间是相互并列的关系；该优化定义模块M11是对空间飞网装置参数优化中设计变量、优化目标和设计约束的定义；在优化定义模块M11中，定义了空间飞网装置中牵引块、舱盖和空间网的发射参数共6个设计变量，数学表达如下：X＝{mTm，mh，vTm，θTm，vh}；其中，X为设计变量组，由五个变量组成：mTm为空间飞网装置中牵引块的质量，浮点变量，单位为kg；mh为空间飞网装置中网舱盖的质量，浮点变量，单位为kg；vTm为空间飞网装置中牵引块发射速度的大小，浮点变量，单位为m/s；θTm为空间飞网装置中牵引块发射速度的角度，浮点变量，单位为度；vh为空间飞网装置中牵引块发射速度的大小，浮点变量，单位为m/s；各变量的取值范围需要根据空间飞网装置的结构、材料、工况以及捕获任务设定；在优化定义模块M11中，定义了空间飞网装置参数优化目标，也即通过优化设计变量，使得空间网在指定距离处展开到最大面积，数学表达如下：Max(A)其中，A为空间网在指定位置处展开的面积，单位为m2；在优化定义模块M11中，定义了设计约束，分别从空间网的强度和展开过程的效果出发，强度满足空间网的材料性能，以空间网的最大内应力小于材料的许用应力作为约束，展开效果要求空间网在展开过程中不出现空间网面积收缩和空间网缠绕的情况，以空间网在到达指定位置前展开面积变化率大于零作为约束；其数学表达式如下：C＝(c1,…,cm,ac1,…,ack)；其中，C为约束条件，由2部分组成：c1,…,cm为强度约束，分别对应着空间网的各段网绳的最大应力小于网绳材料的许用应力；ac1,…,ack为空间网展开过程的效果约束，对应的是在空间网在到达指定位置前的各个时刻空间网展开面积变化率应大于零；各约束具体取值与空间网的材料属性、发射参数有关；该运行环境参数设置模块M12是对空间飞网装置参数优化系统OPSNCSV1.0运行环境进行设置的模块，包括求解器的选择、文件存储路径的设置；该软件运行控制工具M13是对空间飞网装置参数优化系统OPSNCSV1.0运动过程的检查、开始、中止、终止过程的控制模块；所述OPSNCSV1.0控制与计算模块M2是空间飞网装置参数优化系统的核心模块，实现对优化过程中数据的管理与控制；OPSNCSV1.0控制与计算模块M2包括以下三个子模块：数据管理模块M21，优化模块M22以及仿真分析模块M23，它们之间是相互并列的关系；该数据管理模块M21实现空间飞网装置参数优化过程数据流的控制，以及访问空间飞网装置参数优化系统的数据库模块M3；该优化模块M22是利用数据管理模块M21选择的优化算法计算出下一个设计方案的程序模块；该仿真分析模块M23是对设计方案进行空间网装置展开过程的仿真与分析；所述OPSNCSV1.0数据库模块M3包括三个子模块：优化算法库M31，试验设计方法库M32，近似模型函数库M33；它们之间是相互并列的关系；该优化算法库M31是包括常用的全局算法和常用的梯度算法；该试验设计方法库M32是包括常用的试验设计方法的方法数据库；该近似模型函数库M33是包括数据拟合常用函数的函数数据库；所述OPSNCSV1.0后处理模块M4包括两个子模块：结果读取模块M41和结果分析模块M42；它们之间是相互并列的关系；该结果读取模块M41是在优化循环停止后，查询优化和仿真结果文件并提取最优设计结果的程序模块；该结果分析模块M42是根据结果读取模块M41读取到的信息，分析优化结果的可信度的程序模块。2.一种空间飞网装置参数优化方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：空间飞网装置参数优化模型定义S1；其中，优化模型S1的定义包括优化目标函数S11，优化约束条件S12，优化设计变量S13，三者之间是并列关系；优化目标函数S11是指空间飞网装置参数优化的目标，也就是空间网在指定距离处展开到最大面积，其数学表达式如下：Max(A)；其中，A为空间网在指定位置处展开的面积，单位为m2；优化约束条件S12是指空间飞网装置参数优化的约束条件，分别从空间网的强度和展开过程的效果出发，强度满足空间网的材料性能，以空间网的最大内应力小于材料的许用应力作为约束，展开效果要求空间网在展开过程中不出现空间网...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓慧，万长煌，
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