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基于本体驱动的微带天线多学科设计优化

柳秋敏  
【摘要】:微机电系统概念设计是一个典型的多学科设计开发过程,尽管当前有了诸如基于模型的系统工程(MBSE)等方法,但现有的设计支持手段仍然不够,无法完全解决MEMS产品设计中多学科紧耦合导致设计困难的特点。本文所要解决的问题是如何在概念设计阶段更好地支持MEMS产品多学科设计。通过对本体技术和多学科设计优化的研究,提出了基于本体驱动的多学科设计优化方法,以MEMS产品为应用目标进行了系统概念级多学科设计优化。该方法通过融合V模型和本体模型,集成了可重用的形式化通用本体、建模指导和概念评估的集成仿真。主要的研究包括提出本体驱动V模型(ODVM)的系统设计过程,在概念设计阶段提出在MEMS产品的概念设计方法上建立领域本体和MEMS器件轻量级本体元结合的建模方法、本体的SysML表达,以及在ODVM中学科分析和多学科集成优化阶段提出了基于SysML实现本体驱动的多学科设计优化方法。然后通过微带天线的设计对方法的可行性验证。具体的研究内容如下:(1)通过对系统工程中V模型的研究,结合本体建模技术,提出了针对MEMS产品多学科、多态性特点的本体驱动V模型系统设计。在概念设计阶段提出领域本体和轻量级本体元结合的建模方法,再结合本体可形式化MEMS领域的知识,建立本体驱动的MEMS产品概念设计方法,有效解决MEMS产品设计中概念建模重用的问题。(2)针对SysML模型与本体模型之间表达的问题,提出SysML元素与本体元素的映射,达到SysML语言建立本体模型的目的,并应用实例解释基于SysML的MEMS本体。基于MEMS产品的设计特点,如功能、结构、效应、材料等特点,建立关于MEMS产品的领域本体,以及在各领域本体上创建轻量级MEMS功能本体元、结构本体元、效应本体元、材料本体元,完善本体驱动的MEMS产品概念设计。(3)分析MEMS产品多学科设计优化问题,通过ODVM的定义,根据多学科特点,建立起基于SysML的多学科设计优化本体模型,也就是优化任务本体。然后结合本体驱动的概念设计模型,建立本体驱动的多学科设计模型框架。通过SysML对整个领域本体统一建模,解决不同设计子系统的层次、数据信息、术语不匹配等问题,更好的解决了学科与学科之间设计资源的语义共享。(4)基于前面提出的方法,建立本体驱动的微带天线多学科设计优化实例进行方法的验证。首先对微带天线进行SysML需求分析,然后进行微带天线领域本体模型的构建,建立基于SysML的微带天线领域本体。接下来通过优化任务本体和微带天线本体模型结合成子优化本体,进一步进行天线电磁子系统,温度子系统,结构子系统的分析设计,然后通过各个子系统关联建立最终的多学科设计优化本体模型,通过本体驱动的多学科设计优化过程模型,对初步设计的微带天线进行多学科设计优化,达到最优的设计方案,实现基于本体驱动的微带天线多学科设计优化。此实例的设计验证,证实了本体驱动的MEMS产品多学科设计优化的可行性。本文提出的ODVM设计过程,针对MEMS产品概念设计提出了有效的多学科设计优化框架和模型,改善了MEMS产品设计迭代落后的现状,使得MEMS产品设计更具有创新和效率。


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