航空航太和國防工業的不確定性量化

航空航太和國防工業的領導者通常從事旨在產生下一代能力和技術的大型項目。這些項目包括國防部數位工程戰略中討論的數位分身和數位工程生態系統的開發。這些項目的規模和復雜性意味著，即使對於整個項目的子組件，基於高保真物理的模擬也可能需要數週的時間才能運行並交付結果。

這太慢了，無法進行大容量性能預測（例如設計空間探索，優化和不確定性量化（UQ））或開發權威的真相源。但是，如果不執行這些分析，工程師可能無法在設計，製造和實施的每個步驟中都考慮到可變性和不確定性。因此，需要平衡計算速度和模型準確性的工具和技術。

SmartUQ開發了一種先進的統計和機器學習工具集，以建立快速而準確的預測模型（又名模擬器）。SmartUQ允許用戶基於有限數量的高保真模擬運行或實驗測試來構建複雜系統的模擬器。可以對模擬器進行採樣，以執行有價值的工程功能，包括優化，靈敏度分析，驗證，驗證和UQ（VVUQ），以及對潛在設計的快速評估。在政府標準和備忘錄中可以找到對這種由統計和數據分析驅動的方法即將到來的認識。

政府指導建模與模擬

NASA的模型和模擬標準（NASA-STD-7009A）要求提供模型輸入不確定性以及輸出不確定性估計的文檔。如第4.2.7節所述，“沒有M＆S [建模和模擬]是RWS [現實世界系統]的完美復製品或模仿者，該模型用於研究。因此，表徵M＆S結果的不確定性至少是驗證那些結果的一種方法。”

美國國防部長的顧問，運營測試與評估（DOT＆E）主任強調，備忘錄和DOT＆E測試與評估總體計劃（TEMP）指南中都需要採用統計方法進行建模和模擬。

在2017年1月17日的備忘錄中，主任明確表示需要使用統計工具集，其中包括“應使用經驗模型（又名模擬器或元模型）來瞭解整個運營空間的M＆S結果並協助不確定性量化。”

該備忘錄繼續討論了通過概率方法量化M＆S中不確定性的重要性，以及對可以將M＆S與物理數據結合或校準的工具的需求，因為“這些附加工具可以支援各種重要活動，包括不確定性分析和誤差傳播。 ，敏感性分析和數據同化。”

分析挑戰和SmartUQ解決方案

氣彈顫振

在解決設計問題時，重要的是量化主要的振動模式和頻率。散熱片或機翼與氣流之間的相互作用可以在CFD封裝中建模。從根本上講，由於飛行過程中氣流的時變湍流，這本質上是隨機過程。此外，隨著時間的流逝，模式和頻率可能由於飛行過程中的燃料消耗或其他活動而改變。因此，有必要預測某些模式作為時間的函數的概率。但是，執行必要的高保真度模擬以調查整個飛行過程中的所有潛在模式在計算上過於昂貴，以至於在實踐中不可行。

SmartUQ解決方案

輸入SmartUQ的功能模擬技術和工具來構建準確的預測模型。使用SmartUQ的實驗設計（DOE）工具選擇了有限數量的模擬運行，並從模擬結果中創建了一個模擬器。模擬器是一個統計模型，代表了基於物理的高保真模擬，可以對其進行快速採樣，以獲取對振動模式下的不確定性進行統計量化所必需的數據。

火箭發射所需的固體燃料

對於給定的運載工具乾重，發射到所需軌道所需的固體火箭燃料量會有所不同。運載過多或過少的燃料會帶來不必要的成本風險，範圍從每千克發射的過剩質量數萬美元到有效載荷丟失或無法使用時的數億美元。

因此，對於給定的任務設定檔，量化燃料需求的概率分佈的能力是一個重要的考慮因素。燃料需求變化的根源在於推進劑燃燒速率的不確定性。這種不確定性可以追溯到火箭發動機生產的每個階段，從原材料化學性質的變化開始，到製造推進劑的加工條件，再到將穀物粘結到發動機殼體上的過程。

SmartUQ解決方案

SmartUQ可用於分析各種不確定性如何組合併傳播，從原材料的選擇和採購到最終的火箭發動機。這樣做有助於確保成功發射，同時減少燃料浪費以及與發射不必要的燃料量相關的潛在巨大成本。