DATA DRIVEN MULTI-FIDELITY APPROXIMATE MODELING OPTIMIZATION OF STIFFENED CONICAL SHELL FOR LARGE LAUNCH VEHICLE

CHEN Chaolei; WANG Zhixiang; LEI Yongjun; WANG Jie

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.018

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

DATA DRIVEN MULTI-FIDELITY APPROXIMATE MODELING OPTIMIZATION OF STIFFENED CONICAL SHELL FOR LARGE LAUNCH VEHICLE

·Optimization·Reliability· | 更新时间：2025-04-25

- DATA DRIVEN MULTI-FIDELITY APPROXIMATE MODELING OPTIMIZATION OF STIFFENED CONICAL SHELL FOR LARGE LAUNCH VEHICLE
- Journal of Mechanical Strength Vol. 47, Issue 4, Pages: 148-157(2025)
- 作者机构：
  
  1.中国人民解放军63768部队，西安 710600
  2.国防科技大学空天科学学院，长沙 410073
  3.空天任务智能规划与仿真湖南省重点实验室，长沙 410073
  4.北京宇航系统工程研究所，北京 100076
- 作者简介：
  
  WANG Zhixiang, E-mail: wangzhixiangaadt@163.com
- 基金信息：
  
  Natural Science Foundation of Hunan(2020JJ5650)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.018
  CLC：
- Received：13 August 2023，
  
  Revised：01 September 2023，
  
  Published：15 April 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
陈超磊，王志祥，雷勇军，等. 数据驱动的大型运载火箭加筋圆锥壳多保真度近似建模优化［J］. 机械强度，2025，47（4）：148-157.

CHEN Chaolei，WANG Zhixiang，LEI Yongjun，et al. Data driven multi-fidelity approximate modeling optimization of stiffened conical shell for large launch vehicle［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（4）：148-157.
陈超磊，王志祥，雷勇军，等. 数据驱动的大型运载火箭加筋圆锥壳多保真度近似建模优化［J］. 机械强度，2025，47（4）：148-157. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.018.

CHEN Chaolei，WANG Zhixiang，LEI Yongjun，et al. Data driven multi-fidelity approximate modeling optimization of stiffened conical shell for large launch vehicle［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（4）：148-157. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.018.

摘要

为提高大型运载火箭加筋圆锥壳舱段结构轴压承载效率，开展了数据驱动的加筋圆锥壳多保真度近似建模轻量化设计。针对单保真度近似建模优化方法效率不高、精度不足等问题，搭建了基于变可信度期望改进（Variable-Fidelity Expected Improvement

VF-EI）加点准则的数据驱动多保真度近似建模优化框架，并据此开展加筋圆锥壳结构轻量化设计。综合利用不同网格规模的加筋圆锥壳有限元模型，建立了加筋圆锥壳极限承载的Co-Kriging多保真度近似模型；优化迭代中，利用VF-EI加点准则生成多保真度采样点，以此序列提升Co-Kriging多保真度近似模型的全局和局部近似精度。典型数值和工程算例验证了上述方法的有效性，相比径向基函数近似模型和Kriging模型，Co-Kriging多保真度近似建模优化方法的效率和精度更高，获得了相比初始设计减重11.5%的优化加筋圆锥壳结构，具有一定的工程应用价值。

Abstract

In order to improve the load-bearing efficiency of the stiffened conical shell in large launch vehicle

the lightweight design of the stiffened conical shell was carried out via a data-driven multi-fidelity approximate modeling optimization method.Aiming at the problems such as low efficiency and insufficient accuracy of the single fidelity approximate modeling optimization method

a data-driven multi-fidelity approximate modeling optimization framework was built based on variable-fidelity expected improvement (VF-EI) point criterion，and accordingly the optimization design of stiffened conical shell structure was carried out.Based on the finite element models of stiffened conical shells with different mesh sizes

a Co-Kriging multi-fidelity approximate model for the collapse load of stiffened conical shells was established.In the optimization iteration

multi-fidelity sampling points were generated by using VF-EI point criterion

and the global and local approximation accuracy of Co-Kriging multi-fidelity approximation model was improved sequently.Moreover

the optimization efficiency and accuracy of the proposed method were demonstrated by comparing with radial basis function approximation model and Kriging model. Besides

11.5% weight reduction of the optimized stiffened conical shell structure is obtained compared with the initial design

which has certain engineering application value.

关键词

Keywords

references

韩涵 . 运载火箭加筋壳结构稳定性分析［D］. 长沙：国防科学技术大学， 2005 ： 1 - 2 .

HAN Han . Buckling analysis of the stiffened shell for the launch vehicle ［D］. Changsha ： National University of Defense Technology ， 2005 ： 1 - 2 . （In Chinese）

李庆亚 . 薄壁加筋结构后屈曲分析方法研究［D］. 南京：东南大学， 2015 ： 1 - 2 .

LI Qingya . Post-buckling analysis of thin-walled stiffened shells ［D］. Nanjing ： Southeast University ， 2015 ： 1 - 2 . （In Chinese）

王博，田阔，郑岩冰，等 . 超大直径网格加筋筒壳快速屈曲分析方法［J］. 航空学报， 2017 ， 38 （ 2 ）： 178 - 186 .

WANG Bo ， TIAN Kuo ， ZHENG Yanbing ， et al . A rapid buckling analysis method for large-scale grid-stiffened cylindrical shells ［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica ， 2017 ， 38 （ 2 ）： 178 - 186 . （In Chinese）

陈浩然，项忠珂，程文明，等 . 基于响应面和遗传算法的C型梁确定性多目标轻量化设计［J］. 机械强度， 2021 ， 43 （ 3 ）： 636 - 642 .

CHEN Haoran ， XIANG Zhongke ， CHENG Wenming ， et al . Deterministic multi-objective lightweight design of C-beam based on response surface and genetic algorithm ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2021 ， 43 （ 3 ）： 636 - 642 . （In Chinese）

肖乾，罗超，欧阳志许，等 . 基于RBF神经网络代理模型的车辆/轨道参数多目标优化［J］. 机械强度， 2021 ， 43 （ 2 ）： 319 - 326 .

XIAO Qian ， LUO Chao ， OUYANG Zhixu . Multi-objective optimization of vehicle /track parameters based on RBF neural network surrogate model ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2021 ， 43 （ 2 ）： 319 - 326 . （In Chinese）

韩忠华 . Kriging模型及代理优化算法研究进展［J］. 航空学报， 2016 ， 37 （ 11 ）： 3197 - 3225 .

HAN Zhonghua . Kriging surrogate model and its application to design optimization：a review of recent progress ［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica ， 2016 ， 37 （ 11 ）： 3197 - 3225 . （In Chinese）

展铭 . 基于代理模型的L型双加筋板结构动力学优化设计［D］. 南京：南京航空航天大学， 2015 ： 44 - 63 .

ZHAN Ming . Structural dynamics optimization design based on surrogate model of panel with two L stiffeners ［D］. Nanjing ： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ， 2015 ： 44 - 63 . （In Chinese）

巩萃颖 . 基于改进近似模型航天器结构可靠性优化设计［D］. 大连：大连理工大学， 2017 ： 31 - 44 .

GONG Cuiying . Reliability-based design optimization of spacecraft structure based on improved surrogate model ［D］. Dalian ： Dalian University of Technology ， 2017 ： 31 - 44 . （In Chinese）

王博，田阔，郝鹏，等 . 变截面加筋板尺寸-布局一体化设计［J］. 固体火箭技术， 2017 ， 40 （ 2 ）： 208 - 227 .

WANG Bo ， TIAN Kuo ， HAO Peng ， et al . Size-layout integrated optimization of variable cross-section stiffened panels ［J］. Journal of Solid Rocket Technology ， 2017 ， 40 （ 2 ）： 208 - 227 . （In Chinese）

王博，杜凯繁，郝鹏 . 轴压双层蒙皮加筋结构优化设计［C］//中国力学学会. 中国力学大会-2015论文摘要集 . 北京：中国力学学会， 2015 ： 337 .

WANG Bo ， DU Kaifan ， HAO Peng . Optimal design of axial compression double skin reinforced structure ［C］// The Chinese Society of Theoretical and Applied Mechanics . The Chinese Congress of Theoretical and Applied Mechanics-2015 Collection of Abstracts . Beijing ： The Chinese Society of Theoretical and Applied Mechanics ， 2015 ： 337 . （In Chinese）

王志祥，武泽平，王婕，等 . 大型运载火箭加筋柱壳近似建模方法［J］. 宇航学报， 2020 ， 41 （ 10 ）： 1267 - 1279 .

WANG Zhixiang ， WU Zeping ， WANG Jie ， et al . Approximation modeling method for cylindrical stiffened shells in large launch vehicles ［J］. Journal of Astronautics ， 2020 ， 41 （ 10 ）： 1267 - 1279 . （In Chinese）

王志祥，欧阳兴，王斌，等 . 基于序列径向基函数的运载火箭蒙皮桁条结构轻质优化［J］. 国防科技大学学报， 2021 ， 43 （ 1 ）： 57 - 65 .

WANG Zhixiang ， OUYANG Xing ， WANG Bin ， et al . Lightweight optimization of skinned purlin structure in launch vehicle based on sequential radial basis function ［J］. Journal of National University of Defense Technology ， 2021 ， 43 （ 1 ）： 57 - 65 . （In Chinese）

杨丽丽，孔祥龙，李文龙，等 . 基于高保真度代理模型的卫星结构优化［J］. 振动与冲击， 2021 ， 40 （ 23 ）： 208 - 215 .

YANG Lili ， KONG Xianglong ， LI Wenlong ， et al . Satellite structure optimization based on high fidelity surrogate model ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2021 ， 40 （ 23 ）： 208 - 215 . （In Chinese）

田阔 . 基于多保真度建模的多层级筒壳屈曲分析及优化方法研究［D］. 大连：大连理工大学， 2018 ： 62 - 74 .

TIAN Kuo . Research on buckling analysis and optimization methods of hierarchical cylindrical shells based on multi-fidelity modeling ［D］. Dalian ： Dalian University of Technology ， 2018 ： 62 - 74 . （In Chinese）

李大帅 . 基于多保真度Kriging代理模型的结构可靠度分析方法［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2021 ： 48 - 67 .

LI Dashuai . A structural reliability analysis method based on multi-fidelity Kriging surrogate model ［D］. Harbin ： Harbin Institute of Technology ， 2021 ： 48 - 67 . （In Chinese）

谢延敏，张飞，潘贝贝，等 . 基于并行加点Kriging模型的拉延筋优化［J］. 机械工程学报， 2019 ， 55 （ 8 ）： 73 - 79 .

XIE Yanmin ， ZHANG Fei ， PAN Beibei ， et al . Optimization of drawbeads based on parallel infilling strategy and kriging models ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2019 ， 55 （ 8 ）： 73 - 79 . （In Chinese）

高月华，王希诚 . 基于Kriging代理模型的多点加点序列优化方法［J］. 工程力学， 2012 ， 29 （ 4 ）： 90 - 95 .

GAO Yuehua ， WANG Xicheng . A sequential optimization method with multi-point sampling criterion based on Kriging surrogate model ［J］. Engineering Mechanics ， 2012 ， 29 （ 4 ）： 90 - 95 . （In Chinese）

高伟，谷海涛，孙原，等 . 基于序列近似优化方法的水下航行器水动力外形优化设计［J］. 舰船科学技术， 2022 ， 44 （ 2 ）： 121 - 128 .

GAO Wei ， GU Haitao ， SUN Yuan ， et al . Hydrodynamic shape optimization of underwater vehicle based on sequential approximate optimization ［J］. Ship Science and Technology ， 2022 ， 44 （ 2 ）： 121 - 128 . （In Chinese）

武泽平 . 基于数值模拟的序列近似优化方法研究［D］. 长沙：国防科技大学， 2018 ： 17 - 26 .

WU Zeping . Study on numerical simulation based sequential approximate optimization ［D］. Changsha ： National University of Defense Technology ， 2018 ： 17 - 26 . （In Chinese）

王志祥 . 重型运载火箭加筋圆柱壳舱段结构优化与试验［D］. 长沙：国防科技大学， 2021 ： 19 - 49 .

WANG Zhixiang . Optimization design and experiment of stiffened cylindrical shells in heavy-lift launch vehicle ［D］. Changsha ： National University of Defense Technology ， 2021 ： 19 - 49 . （In Chinese）

陈超磊，王志祥，雷勇军，等 . 基于序列近似优化方法的加筋圆锥壳结构优化设计［J］. 载人航天， 2023 ， 29 （ 3 ）： 362 - 371 .

CHEN Chaolei ， WANG Zhixiang ， LEI Yongjun ， et al . Structure optimization design of stiffened conical shells based on sequential approximate optimization method ［J］. Manned Spaceflight ， 2023 ， 29 （ 3 ）： 362 - 371 . （In Chinese）

周奇，杨扬，宋学官，等 . 变可信度近似模型及其在复杂装备优化设计中的应用研究进展［J］. 机械工程学报， 2020 ， 56 （ 24 ）： 219 - 245 .

ZHOU Qi ， YANG Yang ， SONG Xueguan ， et al . Survey of multi-fidelity surrogate models and their applications in the design and optimization of engineering equipment ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2020 ， 56 （ 24 ）： 219 - 245 . （In Chinese）

PARK C ， HAFTKA R T ， KIM N H . Remarks on multi-fidelity surrogates ［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization ， 2017 ， 55 ： 1029 - 1050 .

郭峰 . Co-Kriging代理模型在压气机叶栅气动优化中的应用研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2019 ： 2 - 10 .

GUO Feng . Application study of Co-Kriging surrogate model in compressor cascade ［D］. Harbin ： Harbin Institute of Technology ， 2019 ： 2 - 10 . （In Chinese）

黄礼铿，高正红，张德虎 . 基于变可信度代理模型的气动优化［J］. 空气动力学学报， 2013 ， 31 （ 6 ）： 783 - 788 .

HUANG Likeng ， GAO Zhenghong ， ZHANG Dehu . Aerodynamic optimization based on multi-fidelity surrogate ［J］. Acta Aerody-namica Sinica ， 2013 ， 31 （ 6 ）： 783 - 788 . （In Chinese）

韩忠华，许晨舟，乔建领，等 . 基于代理模型的高效全局气动优化设计方法研究进展［J］. 航空学报， 2020 ， 41 （ 5 ）： 30 - 70 .

HAN Zhonghua ， XU Chenzhou ， QIAO Jianling ， et al . Recent progress of efficient global aerodynamic shape optimization using surrogate-based approach ［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica ， 2020 ， 41 （ 5 ）： 30 - 70 . （In Chinese）

李增聪，田阔，赵海心 . 面向多级加筋壳的高效变保真度近似模型［J］. 航空学报， 2020 ， 41 （ 7 ）： 623435 .

LI Zengcong ， TIAN Kuo ， ZHAO Haixin . Efficient variable-fidelity models for hierarchical stiffened shells ［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica ， 2020 ， 41 （ 7 ）： 623435 . （In Chinese）

VU K K ， AMBROSIO C D ， HAMADI Y ， et al . Surrogate-based methods for black-box optimization ［J］. International Transactions in Operational Research ， 2017 ， 24 （ 3 ）： 393 - 424 .

JONES D R ， SCHONLAU M ， WELCH W J . Efficient global optimization of expensive black-box functions ［J］. Journal of Global Optimization ， 1998 ， 13 （ 4 ）： 445 - 492 .

ZHANG Y ， HAN Z H ， ZHANG K S ， et al . Variable-fidelity expected improvement method for efficient global optimization of expensive functions ［J］. Structural and Multidisciplinary Optimi-zation ， 2018 ， 58 ： 1431 - 1451 .

HAO P ， FENG S ， LI Y ， et al . Adaptive infill sampling criterion for multi-fidelity gradient-enhanced kriging model ［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization ， 2020 ， 62 （ 1 ）： 353 - 373 .

LIU Y ， CHEN S ， WANG F ， et al . Sequential optimization using multi-level cokriging and extended expected improvement criterion ［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization ， 2018 ， 58 （ 3 ）： 1155 - 1173 .

HAO P ， FENG S ， ZHANG K ， et al . Adaptive gradient-enhanced Kriging model for variable-stiffness composite panels using isoge-ometric analysis ［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization ， 2018 ， 58 （ 1 ）： 1 - 16 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Research on topology optimization design of wind turbine blade webs

DYNAMICS ANALYSIS AND LIGHTWEIGHT DESIGN OF BIONIC ROBOTIC FISH FRAME MECHANISM (MT)

LIGHTWEIGHT DESIGN OF STATOR FOR LARGE CAPACITY PERMANENT MAGNET GENERATOR SET

LIGHTWEIGHT DESIGN FOR OVERHAUL TOOLING SUPPORT SEAT BASED ON TOPOLOGY OPTIMIZATION AND SIX SIGMA ROBUSTNESS

LIGHTWEIGHT OPTIMIZATION DESIGN OF BODY-IN-WHITE BASED ON NSGA-II MIXED SENSITIVITY ANALYSIS

Related Author

YUE Minnan

LI Chun

ZHU Haibo

MIAO Weipao

SHOU Haonan

FAN Shijie

QIAO Jie

LI XingShan

Related Institution

School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology

Non-carbon Energy Conversion and Utilization Institute

School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University

School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology

School of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology

⁰