基于遗传算法与能量特性图形的固体推进剂配方优化方法

摘要

本发明公开了一种基于遗传算法与能量特性图形的固体推进剂配方优化方法，包括以下步骤：步骤一：建模：根据最小自由能原理，建立固体推进剂的四个能量特性计算模型；步骤二、初始参数设定与存储；步骤三、采用遗传算法进行配方优化设计；步骤四、图形绘制用取值范围设定及各原料类别的质量含量计算；步骤五、能量特性图形绘制，其绘制过程如下：能量特性参数输入、能量特性曲线方程拟合、能量特性图形绘制和能量特性图形同步显示。本发明方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，将遗传算法与能量特性图形相结合进行固体推进剂配方优化设计，能有效解决现有固体推进剂配方设计过程中存在的能量特性试验成本高、周期长、试验量大等缺陷。

主权项

一种基于遗传算法与能量特性图形的固体推进剂配方优化方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤一：建模：根据最小自由能原理，建立固体推进剂的四个能量特性计算模型；其中，四个所述能量特性计算模型分别为根据固体推进剂的质量配比对该固体推进剂的比冲、特征速度、燃烧室温度和燃烧产物平均相对分子质量，分别进行计算的比冲计算模型、特征速度计算模型、燃烧室温度计算模型和燃烧产物平均相对分子质量计算模型；步骤二、初始参数设定与存储：首先，通过与数据处理器相接的参数输入单元，输入配制所设计固体推进剂所用的组分种数N和各组分的组分信息，并将所输入的信息同步存储至与所述数据处理器相接的数据存储单元内；其中，各组分的组分信息均包括化学式、所属原料类别和质量配比范围m_i0～m_iz，i＝1、2、…、N，N为配制所设计固体推进剂所用的组分数量，m_i0为配制所设计固体推进剂所用第i种组分的质量配比下限值且m_iz为第i种组分的质量配比上限值；其中，m_i0和m_iz均为实数，且0＜m_i0＜100，0＜m_iz＜100，N≥2；其中，所属原料类别为粘合剂、氧化剂或添加剂；待N种组分的组分信息均输入完毕后，再采用所述参数输入单元对所设计固体推进剂的原料类别总数Q进行设定，且Q＝2或3；之后，通过所述参数输入单元自预先建立的燃烧产物数据库中选出所设计固体推进剂燃烧后所产生的所有燃烧产物；所述燃烧产物数据库中存储有多种燃烧产物的属性信息；其中，各燃烧产物的属性信息均包括化学式、相对分子质量和相态，其中相态为气相或凝聚相；步骤三、采用遗传算法进行配方优化设计：所述数据处理器调用遗传算法模块，对所设计固体推进剂的质量配比进行优化设计，其优化设计过程如下：步骤301、种群初始化：将配制所设计固体推进剂所用的N种组分中各组分的一个质量配比取值m_ix作为一个个体，并将多个个体集合为一个种 群，同时所述种群中的所有个体均进行二进制编码后形成初始化种群，且将所形成的初始化种群同步存储至所述数据存储单元内；其中，每一个个体均包括N个质量配比取值m_ix，i＝1、2…、N，且m_1x+m_2x+…+m_Nx＝100，m_1x、m_2x、…、m_Nx分别为N种组分的质量配比取值；m_ix为第i种组分的质量配比取值且其为自该组分的质量配比范围m_i0～m_iz中随机抽取一个数值；步骤302、初始化种群中各个体适应度值计算：初始化种群中所有个体的适应度值计算方法均相同；对于所述初始化种群中的任一个个体来说，均先利用步骤一中所建立的四个所述能量特性计算模型对该个体的四个能量特性参数进行计算并对计算结果进行同步存储，并将计算得出的该个体的比冲值作为该个体的适应度值；其中，四个所述能量特性参数分别为该个体的比冲、特征速度、燃烧室温度和燃烧产物平均相对分子质量；待所述初始化种群中所有个体的四个所述能量特性参数均计算完毕后，所述初始化种群中所有个体的适应度值均计算出来；之后，再相应计算出所述初始化种群的种群平均适应度值；步骤303、选择操作：根据步骤302中计算得出的所述初始化种群中所有个体的适应度值，选出所述初始化种群中适应度值高的多个个体作为子代群体；步骤304、交叉操作与变异操作：对步骤303中选出的子代群体进行交叉操作与变异操作，获得新一代的子代群体，并将所获得的子代种群同步存储至所述数据存储单元内；步骤305、子代群体中各个体适应度值计算：对步骤304中所获得的子代群体中各个体的适应度值进行计算，且所述子代群体中所有个体的适应度值计算方法均相同；对于所述子代群体中的任一个个体来说，均先利用步骤一中所建立的四个所述能量特性计算模型对该个体的四个能量特性参数进行计算并对计算结果进行同步存储，之后将计算得出的该个体的比冲值作为该个体的适应度值；其中，四个所述能量特性参数分别为该个体的比冲、特征速度、燃烧室温度和燃烧产物平均相对分子质量；待所述子代群体中所有个体的四个所述能量特性参数均计算完毕后，所述子代群体中所有个体的适应度值均计算出来；之后，再相应计算出所述子代群体的种群平均适应度值；步骤306、选择操作：根据步骤305中计算得出的所述子代群体中所有个体的适应度值，选出所述子代群体中适应度值高的多个个体作为子代群体；步骤307、判断是否满足终止条件：当进化代数超过预先设定的最大进化代数i_tex或者子代群体中个体的最大适应度值大于或等于预先设定的适应度设定值时，遗传算法终止并输出当前所获得所述子代群体中适应度值最高的个体；否则，返回步骤304；步骤307中所输出的适应度值最高的个体，便为通过遗传算法所设计的固体推进剂质量配比m₁、m₂、…、m_N；步骤四、图形绘制用取值范围设定及各原料类别的质量含量计算，其计算过程如下：步骤401、原料类别质量含量取值范围及能量特性参数取值范围设定：当Q＝2时，采用所述参数输入单元输入配制所设计固体推进剂所用粘合剂的质量含量取值范围m_粘0～m_粘z和所用氧化剂的质量含量取值范围m_氧0～m_氧z，并同步存储至所述数据存储单元内；当Q＝3时，采用所述参数输入单元输入配制所设计固体推进剂所用粘合剂的质量含量取值范围m'_粘0～m'_粘z、所用氧化剂的质量含量取值范围m'_氧0～m'_氧z和所用添加剂的质量含量取值范围m'_添0～m'_添z，并同步存储至所述数据存储单元内；同时，采用所述参数输入单元分别输入四个所述能量特性参数的取值范围，并同步存储至所述数据存储单元内；步骤402、原料类别质量含量计算：所述数据处理器根据步骤二中所输入的各组分的原料类别，调用原料类别质量含量计算模块，对步骤301中所述初始化种群中和步骤304中所获得的子代群体中各个体的原料类别质量含量分别进行计算，并对计算结果进行同步存储，且所有个体的原料 类别质量配比计算方法均相同；对于步骤301中所述初始化种群中和步骤304中所获得的子代群体中任一个个体来说，当Q＝2时，根据该个体中所包含的N种组分的质量配比取值，先计算得出该个体中所属原料类别为粘合剂的所有组分的质量配比取值之和m_粘，之后根据公式m_粘＝100‑m_氧，计算得出该个体中所属原料类别为氧化剂的所有组分的质量配比取值之和m_氧；其中，m_粘为该个体的粘结剂的质量含量，且m_氧为该个体的氧化剂的质量含量；对于步骤301中所述初始化种群中和步骤304中所获得的子代群体中任一个个体来说，当Q＝3时，根据该个体中所包含的N种组分的质量配比取值，先计算得出该个体中所属原料类别为粘合剂的所有组分的质量配比取值之和m’_粘，再计算得出该个体中所属原料类别为氧化剂的所有组分的质量配比取值之和m’_氧，之后再根据公式m’_添＝100‑m’_粘‑m’_氧，计算得出该个体中所属原料类别为添加剂的所有组分的质量配比取值之和m’_添；其中，m’_粘为该个体的粘结剂的质量含量，m’_氧为该个体的氧化剂的质量含量，且m’_添为该个体的添加剂的质量含量；步骤五、能量特性图形绘制，其绘制过程如下：步骤501、能量特性参数输入：采用所述参数输入单元输入需通过能量特性图形进行分析的能量特性参数y，其中y为比冲、特征速度、燃烧室温度或燃烧产物平均相对分子质量；步骤502、能量特性曲线方程拟合：所述数据处理器调用曲线方程拟合模块，根据步骤302中计算得出的所述初始化种群中各个体的四个能量特性参数和步骤305中所述子代群体中各个体的四个能量特性参数，并结合步骤四中计算得出的所述初始化种群中和步骤304中所获得的子代群体中各个体的原料类别质量含量，拟合出能量特性参数y的能量特性曲线方程；其中，当Q＝2时，拟合出的能量特性曲线方程为y＝a·x₁+b·x₂+c·x₁·x₂+d(4)，式(4)中a、b、c和d均为常数，x₁为配 制所设计固体推进剂所用粘合剂的质量含量，x₂为配制所设计固体推进剂所用氧化剂的质量含量，且x₁+x₂＝100；当Q＝3时，拟合出的能量特性曲线方程为y＝a'·x′₁+b'·x'₂+c'·x'₃+d'·x′₁·x'₂+e'·x′₁·x'₃+f'·x'₂·x'₃+g'·x′₁·x'₂·x'₃+h'(5)，式(5)中a'、b'、c'、d'、e'、f'、g'和h'均为常数，且x′₁为配制所设计固体推进剂所用粘合剂的质量含量，x'₂为配制所设计固体推进剂所用氧化剂的质量含量，x'₃为配制所设计固体推进剂所用添加剂的质量含量，且x′₁+x′₂+x'₃＝100；步骤503、能量特性图形绘制：所述数据处理器调用能量特性图形绘制模块，且根据步骤502中拟合出的能量特性参数y的能量特性曲线方程，对能量特性参数y的能量特性图形进行绘制；当Q＝2时，所述数据处理器调用能量特性图形绘制模块，绘制出能量特性参数y的等高线图，所绘制的等高线图上包括能量特性参数y取不同值时的多条等高线，每一条所述等高线均为由能量特性参数y的取值相等的各点所连成的曲线，且多条所述等高线上均标注有该条等高线所对应的能量特性参数y的取值；实际对能量特性参数y的等高线图进行绘制时，先建立一个横坐标轴为配制所设计固体推进剂所用粘合剂的质量含量x₁，且纵坐标轴为配制所设计固体推进剂所用氧化剂的质量含量x₂的平面直角坐标系，再根据步骤401中所输入的m_粘0～m_粘z和m_氧0～m_氧z，对所建立平面直角坐标系中横坐标轴和纵坐标轴的刻度分别进行设置；之后，根据公式y＝a·x₁+b·x₂+c·x₁·x₂+d(4)，在所建立的平面直角坐标系上绘制出能量特性参数y取不同值时的多条等高线；当Q＝3时，所述数据处理器调用能量特性图形绘制模块，绘制出能量特性参数y的等性能三角图，所绘制的等性能三角图上包括能量特性参数y取不同值时的多条等高线，每一条所述等高线均为由能量特性参数y的取值相等的各点所连成的曲线，且多条所述等高线上均标注有该条等高线所对应的能量特性参数y的取值；实际对能量特性参数y的等性能三角图 进行绘制时，先建立一个等边三角形，并将所建立等边三角形的三条边分别定义为配制所设计固体推进剂所用粘合剂的质量含量x′₁、配制所设计固体推进剂所用氧化剂的质量含量x'₂和配制所设计固体推进剂所用添加剂的质量含量x'₃；之后，根据步骤401中所输入的m'_粘0～m'_粘z、m'_氧0～m'_氧z和m'_添0～m'_添z，在所建立三角形的三条边上分别设置刻度；然后，根据公式y＝a'·x′₁+b'·x'₂+c'·x'₃+d'·x′₁·x'₂+e'·x′₁·x'₃+f'·x'₂·x'₃+g'·x′₁·x'₂·x'₃+h'(5)，在所建立的等边三角形上绘制出能量特性参数y取不同值时的多条等高线；步骤504、能量特性图形同步显示：通过与所述数据处理器相接的显示单元，对步骤503中绘制出的能量特性图形进行同步显示。