一种基于自动编码器反演的多层绝热材料优化方法

摘要

一种基于自动编码器反演的多层绝热材料优化方法，利用自动编码器模型能够良好预测反演的特点，将热流密度、厚度构成的优化目标与待优化设计参数所组成的样本集进行SVD分解，获得对应设计参数及优化目标的正交基；采用最小二乘法计算待优化目标所对应的正交基系数，从而快速预测待优化目标所对应的设计参数；本发明可以直接由一步计算获得设计厚度下热流密度的下边界，可获得所有反射屏上的温度分布。

权利要求

1.一种基于自动编码器反演的多层绝热材料优化方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，参数化，MLI的设计参数表示为元数组的重复组合，元数组为1层铝箔与n层玻纤纸的搭配方案，[1,2]表示一层铝箔一层玻纤纸，[1,2,2]表示表示一层铝箔两层玻纤纸……，采用三个密度区的搭配方案，即给定元数组分别为:elementpack1＝[1,2]

elementpack2＝[1,2,2]

elementpack3＝[1,2,2,2]

则整个多层绝热材料的设计表示为：

MLI＝[elementpack1,repmat(elementpack1,k1),elementpack2,repmat(elementpack2,k2),elementpack3,repmat(elementpack3,k3)]其中k1,k2,k3分别为元数组的重复次数，即为待优化设计参数；

第二步，给定n组待优化设计参数组成MLI设计参数样本集MLIn，n为样本数，则MLI1＝[k11,k21,k31],…,MLIn＝[k1n,k2n,k3n]，给定热端温度Th及冷端温度Tc，对MLIn进行仿真，得到n个对应样本的热流密度q1…qn及厚度d1…dn，将热流密度[q]，厚度[d]，[MLIn]组成整体样本集[Dataset]，热流密度[q]、厚度[d]构成优化目标；

第三步，对整体样本集[Dataset]进行SVD分解，获得待优化设计参数的正交基[basis1]及优化目标的正交基[basis2]；

第四步，计算正交基[basis2]的自相关矩阵[M]；

第五步，给定优化目标数组[goal]＝[d,q]，求解优化目标数组[goal]与正交基[basis2]的相关矩阵Φ；

第六步，最小二乘法计算优化目标数组[goal]的正交基系数；

第七步，计算优化目标的对应设计参数Dp；

第八步，由Layer‑by‑layer模型对Dp进行仿真，得到待优化设计参数下MLI的热流密度*qv、厚度dv、温度分布T和层密度N；

第九步，将第八步得到的热流密度、厚度的多层绝热材料用于低温容器或者航天低温绝热元件的低温绝热场合。

2.根据权利要求1所述的一种基于自动编码器反演的多层绝热材料优化方法，其特征在于：所述的一种基于自动编码器反演的多层绝热材料优化方法中采用SVD自动编码器方法能够用PCA、去噪自动编码器、稀疏自动编码器、变分自动编码器的自动编码器技术替换。

说明书

一种基于自动编码器反演的多层绝热材料优化方法

技术领域

[0001] 本发明属于低温绝热技术领域，具体涉及到一种基于自动编码器反演的多层绝热材料优化方法。

背景技术

[0002] 在航天低温系统中，由于被保温件往往处于狭窄空间之中，预留给保温材料的空间非常有限，在这样的工程限制条件下，对多层绝热材料的设计往往需要顾及到材料厚度及绝热性能两个指标，因此，变密度多层绝热材料(Variable－Density Multilayer Insulation，简称“VD‑MLI”)被提出并广泛运用，变密度多层绝热材料是在常规多层绝热材料的基础上，将整个多层绝热材料设计成多个层密度(单位厚度内辐射屏的数量)区域的组合，由于不同温度区间内的辐射热流密度不同，可通过调节层密度使材料更好地反射辐射热流，因此变密度多层绝热材料的绝热性能较常规定密度多层绝热材料更优。

[0003] 在变密度多层绝热的设计方法中，最为常用的方法即为NASA所提出的Lockheed模型及Layer‑by‑layer模型，Layer‑by‑layer模型通过逐层计算反射屏处的温度获得多层绝热材料的热物性，Lockheed模型则通过大量实验数据，将不同温度区间内用层密度拟合热流密度的一个半经验系数的表达式。

[0004] 在对多层绝热材料的优化方法中，Lockheed模型通过推导表观导热系数对层密度的导数的表达式，来获得不同温度区域内的最优层密度，但在工程设计中，往往需要某个厚度下最优的多层绝热材料搭配方案，但由于某个定厚度往往可以有多种变密度的搭配方案，不同的变密度搭配方案却具备不同的热流密度，因此，Lockheed模型无法直接得到对应厚度下的最小热流密度搭配方案，一般需要不断尝试多种层密度搭配以确定最小热流密度。

[0005] Layer‑by‑layer模型中，所有的物理参数含义明确，可以获得不同反射屏处的温度分布，但是无法直接用于优化；Lockheed模型可直接用于优化，但是存在半经验系数，且无法获得所有反射屏处的温度分布。

发明内容

[0006] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于自动编码器反演的多层绝热材料优化方法，可以直接由一步计算获得设计厚度下的最小热流密度，同时可获得所有反射屏上的温度分布。

[0007] 为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

[0008] 一种基于自动编码器反演的多层绝热材料优化方法，包括以下步骤：

[0009] 第一步，参数化，MLI的设计参数表示为元数组的重复组合，元数组为1层铝箔与n层玻纤纸的搭配方案，[1,2]表示一层铝箔一层玻纤纸，[1,2,2]表示表示一层铝箔两层玻纤纸……，采用三个密度区的搭配方案，即给定元数组分别为:

[0010] elementpack1＝[1,2]

[0011] elementpack2＝[1,2,2]

[0012] elementpack3＝[1,2,2,2]

[0013] 则整个多层绝热材料的设计表示为：

[0014] MLI＝[elementpack1,repmat(elementpack1,k1),

[0015] elementpack2,repmat(elementpack2,k2),

[0016] elementpack3,repmat(elementpack3,k3)]

[0017] 其中k1,k2,k3分别为元数组的重复次数，即为待优化设计参数；

[0018] 第二步，给定n组待优化设计参数组成MLI设计参数样本集MLIn，n为样本数，则MLI1＝[k11,k21,k31],…,MLIn＝[k1n,k2n,k3n]，给定热端温度Th及冷端温度Tc，对MLIn进行仿真，得到n个对应样本的热流密度[q]＝q1…qn及厚度[d]＝d1…dn，将热流密度[q]，厚度[d]，[MLIn]组成整体样本集[Dataset]，热流密度[q]、厚度[d]构成优化目标；

[0019] 第三步，对整体样本集[Dataset]进行SVD分解，获得待优化设计参数的正交基[basis1]及优化目标的正交基[basis2]；

[0020] 第四步，计算正交基[basis2]的自相关矩阵[M]；

[0021] 第五步，给定优化目标数组[goal]＝[d,q]，求解优化目标数组[goal]与正交基[basis2]的相关矩阵Φ；

[0022] 第六步，最小二乘法拟合优化目标数组[goal]的正交基系数；

[0023] 第七步，计算优化目标的对应设计参数Dp；

[0024] 第八步，由Layer‑by‑layer模型对Dp进行仿真，得到待优化设计参数下MLI的热流*密度qv、厚度dv、温度分布T和层密度N；

[0025] 第九步，将第八步得到的热流密度、厚度的多层绝热材料用于低温容器或者航天低温绝热元件的低温绝热场合。

[0026] 所述的一种基于自动编码器反演的多层绝热材料优化方法中采用SVD自动编码器方法能够用PCA、去噪自动编码器、稀疏自动编码器、变分自动编码器的自动编码器技术替换。

[0027] 本发明的有益效果为：

[0028] 本发明利用自动编码器模型能够良好预测反演的特点，将优化目标与待优化设计参数所组成的样本集进行SVD分解，获得对应设计参数及优化目标的正交基；采用最小二乘法计算待优化目标所对应的正交基系数，从而快速预测待优化目标所对应的设计参数，经验证，若给定的MLI厚度下能够达到所需要的热流密度，则直接得到设计参数，若无法达到所需的热流密度，只要所给定的目标热流密度小于最小热流密度，则验证所获得的热流密度即为该厚度下的最小热流密度。

[0029] 相较于Lockheed多次调整层密度以获得最小热流密度的方式，本发明可以直接由一步计算获得设计厚度下的最小热流密度，采用Layer‑by‑layer模型仿真进行验证，即可获得所有反射屏上的温度分布，改善了Lockheed模型反复调整层密度的优化方法及无法得到所有反射屏处温度分布的缺点。

附图说明

[0030] 图1为本发明实施例的示意图。

[0031] 图2为实施例30mm厚度下最优热流密度的MLI温度分布。

具体实施方式

[0032] 下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细描述，实施例设计一个77K温区30mm厚的变密度多层绝热材料，获得在该30mm厚度下所能达到的最小热流密度的MLI搭配方案。

[0033] 参照图1，一种基于自动编码器反演的多层绝热材料优化方法，在MATLAB程序中，包括以下步骤：

[0034] 第一步，参数化，MLI的设计参数表示为元数组的重复组合，元数组为1层铝箔与n层玻纤纸的搭配方案，[1,2]表示一层铝箔一层玻纤纸，[1,2,2]表示表示一层铝箔两层玻纤纸……，为了在工程上便于实施，采用三个密度区的搭配方案，即给定元数组分别为:

[0035] elementpack1＝[1,2]

[0036] elementpack2＝[1,2,2]

[0037] elementpack3＝[1,2,2,2]

[0038] 则整个多层绝热材料的设计表示为：

[0039] MLI＝[elementpack1,repmat(elementpack1,k1),

[0040] elementpack2,repmat(elementpack2,k2),

[0041] elementpack3,repmat(elementpack3,k3)]

[0042] 其中k1,k2,k3分别为元数组的重复次数，即为待优化设计参数；

[0043] 本实施例由采样方法生成n组待优化设计参数MLIn＝[k1i,k2i,k3i]，其中i＝1,2,3…,n，k1，k2，k3分别为元数组elementpack1＝[1,2]，elementpack2＝[1,2,2]，elementpack3＝[1,2,2,2]的循环次数；

[0044] 第二步，给定n组待优化设计参数组成MLI设计参数样本集MLIn，n为样本数，则MLI1＝[k11,k21,k31],…,MLIn＝[k1n,k2n,k3n]，给定热端温度Th及冷端温度Tc，对MLIn进行仿真，得到n个对应样本的热流密度[q]＝q1…qn及厚度[d]＝d1…dn，将热流密度[q]，厚度[d]，[MLIn]组成整体样本集[Dataset]，热流密度[q]、厚度[d]构成优化目标；

[0045] 第三步，对整体样本集[Dataset]进行SVD分解，获得待优化设计参数的正交基[basis1]及优化目标的正交基[basis2]；

[0046] 第四步，编码，计算正交基[basis2]的自相关矩阵[M]；

[0047] 第五步，编码，给定优化目标数组[goal]＝[d,q]，求解优化目标数组[goal]与正交基[basis2]的相关矩阵Φ；

[0048] 第六步，拟合优化目标数组[goal]的正交基系数，b＝[M]\ΦT；

[0049] 第七步，解码，获得优化目标的对应设计参数Dp＝[b]*[basis1]；

[0050] 第八步，验证，采用Layer‑by‑layer模型对Dp进行仿真，得到待优化设计参数的*MLI热流密度qv、厚度dv、温度分布T和层密度分布N ，实施例30mm厚度下最优热流密度的MLI温度分布如图2所示；

[0051] 第九步，将第八步得到的热流密度、厚度的多层绝热材料用于低温容器或者航天低温绝热元件等低温绝热场合。

[0052] 表1实施例中的具体参数值

[0053]

[0054]

[0055] 表1为实施例中的具体参数值，由表1可知，在30mm厚度下，给出一个极小的热流密2 2
度为0.20W/m (已知该厚度下的最小热流密度为0.3892W/m)时，该自动编码器反演算法给
2 2
出了30mm厚度下所能达到的最小热流密度qv＝0.3872W/m ，与0.3892W/m的验证值偏差为
0.55％，验证厚度dv＝29.79mm，与30mm厚度误差为0.7％，验证了本发明方法良好的反演及寻优性能。