基于梯度分割区间优化算法的双脉冲交会优化

研究非固定时间的航天器双脉冲交会轨迹优化问题,设计了基于梯度分割区间优化算法(GIOA)。该算法结合所研究问题的特点,使用每次只选择有限个区间进行操作的区间选择策略、基于梯度优化结果的区间分割策略、基于单调性的区间紧缩策略以及约束条件测试和基于梯度的目标优化估计值更新策略等。梯度优化算法仅用于区间分割和目标优化估计值更新,不但没有影响GIOA对区间优化算法全局性和收敛性的继承,同时加快了包含优化解的小宽度区间的出现,提高了目标优化估计值的更新速度,并由此提高了运算效率。区间选择策略的使用,控制了决策变量区间数量的增长,降低了算法运行的存储需求。算例仿真中,成功求解非固定时间双脉冲交会问题,并展示出算法的优势。      

基于混合可靠性分析的协同优化方法

针对在多学科设计优化中进行可靠性分析计算成本高的问题,将两种现有的可靠性分析方法与协同优化相结合,提出一种基于混合可靠性分析的协同优化方法.该方法在协同优化的子系统级进行可靠性分析,并在分析前估算优化迭代点与约束边界的距离,对靠近约束边界的点进行基于一次可靠性方法的可靠性分析,其余点仅采用均值法粗略计算其可靠度, 减少了不必要的可靠性分析成本,并将可靠性分析融入到协同优化的框架中.用优化算例对该方法进行了验证,优化结果表明该方法在保证可靠性精度的前提下,有效提高了优化效率,具有实际工程意义.     

Ascent trajectory optimization for stratospheric airship with thermal effects

Ascent trajectory optimization with thermal effects is addressed for a stratospheric airship. Basic thermal characteristics of the stratospheric airship are introduced. Besides, the airship’s equations of motion are constructed by including the factors about aerodynamic force, added mass and wind profiles which are developed based on horizontal-wind model. For both minimum-time and minimum-energy flights during ascent, the trajectory optimization problem is described with the path and terminal constraints in different scenarios and then, is converted into a parameter optimization problem by a direct collocation method. Sparse Nonlinear OPTimizer(SNOPT) is employed as a nonlinear programming solver and two scenarios are adopted. The solutions obtained illustrate that the trajectories are greatly affected by the thermal behaviors which prolong the daytime minimum-time flights of about 20.8% compared with that of nighttime in scenario 1 and of about 10.5% in scenario 2. And there is the same trend for minimum-energy flights. For the energy consumption of minimum-time flights, 6% decrease is abstained in scenario 1 and 5% decrease in scenario 2. However, a few energy consumption reduction is achieved for minimum-energy flights. Solar radiation is the principal component and the natural wind also affects the thermal behaviors of stratospheric airship during ascent. The relationship between take-off time and performance of airship during ascent is discussed. it is found that the take-off time at dusk is best choice for stratospheric airship. And in addition, for saving energy, airship prefers to fly downwind.     

通用再入飞行器多学科协同优化设计

探讨了协同优化方法在通用再入飞行器总体优化设计中的应用以及各学科间耦合关系.对协同优化方法的流程及特点进行了分析,以通用再入飞行器总体优化设计为对象,研究如何利用协同优化方法建立此类问题的优化模型.研究结果表明协同优化方法相对多学科可行法具有较快的收敛速度,主要是由于协同优化方法中的系统级在搜索空间时受到了3个子系统级优化一致性的制约,而3个子系统级并行地对升阻比最大、质量最小、弹道设计中气动加热量最小3个主要影响射程的因素进行了优化,最终共同缩小了设计搜索空间,同时利用学科的独立性进行并行计算,从而较快地实现了迭代收敛.      

多变量全局寻优与智能优化在星座组网中的应用

顶层任务规划通常与星座组网紧密结合，小卫星分散灵活的特性尤其适用于星群规模化在轨运行。针对热点区域覆盖和全球覆盖的不同任务需求，提出了对构型多变量进行全局寻优和利用智能优化技术进行星座构型优化的方法，两种优化方法可分别获得小规模星群最优效能与超大型星群的较优效能。优化方法不受轨道类型和任务目标分布的约束，具有良好的鲁棒性。     

一种大变形多空间域连续体结构拓扑优化方法

针对大变形非线性结构拓扑优化问题,提出了基于混合细胞自动机(HCA, Hybrid Cellular Automata)多空间域连续体结构拓扑优化方法;采用密度法,建立了单元相对密度表示的材料弹-塑性模型;以单元相对密度和应变能作为细胞自动机(CA,Cellular Automata)的状态信息,利用CA局部控制规则,修改相对密度,迭代实现各设计空间域应变能均匀分布;设计了多空间域拓扑优化HCA算法,采取多个对象同时耦合优化迭代,各自收敛策略,解决了多空间域优化迭代算法收敛稳定性问题;最后,以汽车保险杆结构横梁和支撑等两个设计空间为例,施加大变形动态载荷作用,对提出的多空间结构优化算法进行了验证,优化后结构有效地降低了碰撞作用力峰值达54％,提高了结构安全性.     

按区域惩罚划分的并行多目标遗传算法

解决多学科设计优化问题的多目标遗传算法通常面临着大计算量的挑战,提出了一种新型的并行化算法来提高其效率.全局个体均匀的分布在各个进程,首先从所有的进程中获取全局范围的Pareto最优解极值,并发送给每个进程,再由这些极值来构造各个进程自己的惩罚函数.通过惩罚函数给个体添加约束来划分各个进程的收敛区域,同时采取优化措施保证每个进程加速收敛并且收敛区域没有重叠和遗漏,这样每个进程只需收敛到特定的一段Pareto最优解,降低了计算量;同时由于进程间交换的数据量小,保证了效率的提高.通过与串行算法(NSGA2)和其他的并行化算法比较,显示了该算法的有效性和先进性.     

基于满意度的贮备多阶段任务系统可靠性优化

分析了多阶段任务系统成功运行的条件;在冷贮备系统的可靠性计算模型的基础上提出了单元是二态,失效率服从指数分布的冷贮备多阶段任务系统的可靠性计算模型;建立了系统可靠度、体积、重量和价格的子满意度函数,并利用层次分析法确定各个子满意度函数的影响因子;构建了基于综合满意度函数的贮备多阶段任务系统可靠性冗余优化模型,应用微粒群算法对模型进行求解.算例通过一个3个阶段的冷贮备系统来阐述该方法的应用,并验证了模型的合理性及算法的有效性.      

旋翼多维振动最优调整方法

针对直升机旋翼系统非线性、难以建模的特点,采用径向基函数(RBF,Ra-dial Basis Function)神经网络建立直升机旋翼动平衡调整模型.根据约束条件以直升机机身振动值作为目标函数建立适应度函数,以旋翼系统的调整参数为优化变量,进行神经网络学习和优化.利用粒子群优化(PSO,Particle Swarm Optimization)算法对适应度函数进行寻优,获得当直升机振动最小时的桨叶的调整参数.实验结果表明:PSO算法寻优效率方面高于遗传算法;RBF神经网络和PSO算法相结合可以有效地实现直升机旋翼动平衡调整.     

ICO多学科设计优化方法

协同优化(CO, Collaborative Optimization)算法在应用中存在计算困难的问题.分析了引起CO算法计算困难的原因;使用L₁范数改进了CO算法的学科一致性约束,避免了学科级目标函数导数的不连续性,并从数学理论上证明了改进的学科一致性约束的收敛性;增加系统级罚函数,使系统级优化问题转化为无约束优化问题;使用快速启动方法,在子系统级优化过程中充分合理利用系统级优化求得的最优解;给出了使用改进的学科一致性约束、系统级罚函数和快速启动方法的ICO(Improved Collaborative Optimization)多学科设计优化方法,较好地克服了CO算法存在计算困难的缺点.标准算例实验结果表明,ICO多学科设计优化方法有效提高了算法的稳定性、可靠性和计算效率.      

临近空间飞艇外形优化设计与仿真

以临近空间飞艇为对象,针对传统外形设计方法中存在的问题,提出了新的优化设计方法,搭建了流程框架,编制了优化程序。首先研究了遗传算法及多学科设计理论,进而在此基础上建立了飞艇阻力、体面比、应力模型,利用多学科设计理念对飞艇气动、结构、强度进行了一体化设计。其次将遗传算法引入到优化设计当中,并利用Matlab和Fluent开展了联合仿真研究。最后结合实际应用需求进行了算例分析,验证了该方法的可行性和效果。     

飞翼布局飞机控制/气动/隐身多学科优化设计

飞翼布局是先进飞机广泛应用的布局形式.飞翼布局飞机总体设计阶段不仅要考虑其隐身和气动要求,还必须高度重视控制系统的影响.以飞翼布局飞机为对象,研究控制、气动与隐身多学科优化的策略和方法.建立了适合在各学科的子空间进行多目标优化的流程,基于学科分析分配各个子空间的设计变量,并通过变量综合形成系统级的设计变量.在优化过程中,综合采用了改进的遗传算法和近似模型构造方法.针对飞翼布局飞机的特点,采用基于控制分配的控制系统结构,以时域指标作为控制学科的优化目标和约束条件.优化结果验证了所用方法的有效性,为将控制学科纳入飞翼布局飞机多学科优化提供了可行的途径.     

载荷不确定的周期性结构稳健拓扑优化

提出了一种考虑周期性几何约束的结构稳健拓扑优化设计方法。针对线弹性体结构,提出了载荷不确定性条件下周期性结构稳健拓扑优化模型;推导了周期性结构柔度均值与方差的敏度数表达式,并基于软删双向渐进结构优化法提出了载荷不确定性条件下的周期性结构稳健拓扑优化设计方法。2个不同约束条件下的实例表明:本文提出的优化模型稳定性较好;考虑载荷不确定性得到的结构与确定性载荷下得到的结构有很大的区别,且稳健性优化设计得到的结构更加稳定。     

T型尾翼动气动弹性优化设计

T型尾翼构型复杂,操纵面多,在动气动弹性的有限元建模和颤振特性设计中,需要修改的参数多,颤振分析复杂,设计人员面临很大的困难.通过在设计过程中引入优化方法,能够有效的解决这些问题.依据遗传算法和敏度优化算法的特点,针对固有振动和颤振优化设计的不同要求,将两种优化方法进行混合和递进应用,形成不同的优化设计方法.建立固有振动频率和颤振阻尼对结构参数的敏度公式,设计两种不同优化问题的数学模型.将优化方法应用于某T型尾翼的结构动力学优化设计,提高了设计速度,保证了设计精度,固有振动频率误差保证在3%以内.在保证质量最小的要求下,使颤振速度得到提高,并为实际结构的设计提供一定指导.      

Formation flying reconfiguration manoeuvres via environmental forces in highly elliptical orbits

A study on reconfiguration manoevres applied to a tetrahedral formation in highly elliptical orbits is proposed, by using a propellantless solution. The manoeuvring strategy consists in exploiting certain environmental forces, specifically those provided by solar radiation pressure and atmospheric drag, by actively controlling the satellites’ attitudes. Through inverse dynamics particle swarm optimization the optimal attitudes required for the manoeuvres are evaluated, whereas the configuration’s evolution is simulated by a high-fidelity orbital simulator. The goal of the reconfiguration problem is to find an optimal control in order for the four spacecraft to reach a desired configuration in a specified portion of orbit, where the desired configuration is evaluated by a shape and size geometric parameter. By increasing the manoeuvring time and the satellites’ area to mass ratio, all the case studies considered are successfully verified.     

磁悬浮控制力矩陀螺框架结构的拓扑优化设计

建立磁悬浮控制力矩陀螺框架结构的有限元分析模型,对控制力矩陀螺框架结构进行模态分析,阐述了框架结构优化设计的基本思路.结合双向渐进优化算法拓扑优化理论,基于通用有限元分析软件ANSYS的参数化设计语言和二次开发语言,开发了连续体拓扑优化模块.以框架结构的最低阶频率值为约束条件,以框架结构质量最小为优化目标,引入名义应力的概念,建立框架结构固有振型与名义应力的关系,实现了磁悬浮控制力矩陀螺框架结构的动态拓扑优化,扩展了双向渐进优化算法的应用范围.优化后的结构构型具有更为合理的质量和刚度布局,频率提高11.49%,质量减少5.65%.     

燃气发生器身部多学科设计优化

为了探索液体火箭发动机多学科设计优化的一般方法,以液体火箭发动机燃气发生器身部为研究对象,在对其进行面向设计的多学科分析的基础上,建立了燃气发生器身部的多学科优化模型,涉及流动、传热、结构强度3个相互耦合的学科.引入了一种新的多目标方法——物理规划方法处理其中的多目标优化问题,通过类别函数将设计者的偏好转化为优化目标,避免了对各个不同大小和量纲的分目标之间重要性的比较和权衡.优化结果显示,利用多学科设计优化减轻了燃气发生器的质量,改善了原有设计,能够提高发动机的设计水平.      

多层次法防空导弹弹道优化设计

为了使导弹优化的弹道更有效地杀伤目标,采用多层次法来设计防空导弹中制导段弹道.整个模型分为3层,第1层是导弹中制导段弹道,第2层是导弹末制导段,第3层是战斗部毁伤目标.第1层弹道限定中末段交班点处的弹道倾角进行优化.交班点弹道倾角作为联系第1、2层的全局变量,随它变化而产生一系列的优化弹道.第2层是导弹自寻的模型,通过Monte-Carlo仿真得到脱靶量分布的数学期望和标准差,这是联系第2、3层的全局变量.第3层由脱靶量的分布计算杀伤概率,最大杀伤概率对应的第1层弹道就是系统的最优解.多层次法表明了中制导段弹道优化设计和最终导弹杀伤概率之间的关系,使得杀伤概率这一效能指标能够作为中制导段弹道优化的指标.最后进行了拦截高空高速巡航目标和低空低速巡航目标的算例计算.      

一种优化的挠性陀螺仪六位置试验方案

为了以较低的试验成本获得较高的挠性陀螺静态误差模型系数估计精度,提出了一种基于D-最优准则和正交试验设计的优化地理坐标六位置试验方案.为了验证D-最优地理坐标六位置试验方案的有效性,进行了多次D-最优地理坐标六位置试验和ANSI/IEEE Std 813-1988中规定的地理坐标八位置试验.试验结果表明,在试验成本较低的情况下,D-最优地理坐标六位置试验方案不仅可以估计出挠性陀螺简化静态误差模型系数,而且其估计精度比ANSI/IEEE Std 813-1988中规定的地理坐标八位置试验方案的估计精度略高.