多学科设计优化技术发展及在航空航天领域的应用

首先指出了多学科设计优化(MDO)对于现代飞行器设计的意义和多学科设计优化的主要研究内容.在调研国内外参考文献的基础上,分别对面向MDO的飞行器建模技术、灵敏度分析技术、优化算法、代理模型技术、MDO策略以及MDO框架6项关键技术发展状况以及MDO在航空航天领域的应用状态进行了总结和概述,最后指出了技术的未来研究方向以及MDO在航空航天领域进一步推广所需要解决的问题.     

乘波飞行器一体化构型设计

为提高高超声速飞行器设计的水平,提出一种结合优化设计和灵敏度分析的新设计策略,并将其应用于高超声速乘波飞行器的二维一体化构型的设计.结合实验设计方法、响应面技术和遗传算法构建了一套改进的优化方法,结合设计参数取值域、正交设计和方差分析发展了一种灵敏度分析方法.在优化设计过程中,通过参数化建模、网格自动生成和CFD求解,应用改进的优化方法对飞行器进行了多点多目标设计,得到了Pareto最优前沿面和优化推荐构型.针对推荐构型,应用灵敏度分析方法进行了非设计状态的性能分析,并基于灵敏度分析结果对推荐构型进行了修形设计.     

飞行器多学科耦合伴随体系的现状与发展趋势综述

多学科耦合伴随方法具有多学科耦合灵敏度计算量与各个学科设计变量个数均基本无关等优点,是一个值得关注的发展方向。面向气动、电磁、声学、结构、红外等与飞行器设计息息相关的学科,针对多学科耦合伴随方法的优势、现状、难点以及未来发展趋势开展研究与论述,系统性地分析了单一学科、多学科伴随方法的核心内容、关键技术与发展现状,对边界条件处理、交叉学科雅克比推导以及大型稀疏矩阵存储处理、求解等关键技术进行系统讨论,针对典型的关键环节和基础科学问题,给出了研究思路与解决方案,并进一步展望了多学科耦合伴随理论与应用发展趋势。希望能够为从事多学科伴随优化方法与应用的研究人员提供有意义的参考,促进多学科耦合灵敏度这一基础科学问题以及基于高保真度分析手段的多学科优化（MDO）技术的发展。     

CFD和MDO技术在乘波飞行器设计中的应用综述

乘波飞行器由于其具有高升阻比特性而成为国内外高超声速飞行器研究的热点。介绍了乘波飞行器的研究进展,在此基础上阐述了乘波飞行器设计对先进设计技术的需求。重点讨论了计算流体力学（CFD）技术和多学科设计优化（MDO）理论与方法在乘波飞行器设计中的应用现状。提出了今后应重点对高超声速飞行条件下乘波飞行器的动态气动特性进行全面的数值模拟研究．大力开展包含可靠性和经济性分析的乘波飞行器多目标多学科设计优化研究。随着MDO方法在乘波飞行器设计中的深入应用,CFD必将发挥更大的作用,共同促进乘波飞行器的快速发展。     

协作优化在无人机概念设计中的应用

多学科设计优化（MDO）是当前飞行器设计研究中一个最新、最活跃的领域,而协作优化是解决多学科设计优化问题的一种二级MDO算法。将协作优化应用到无人机的概念设计中,建立了包含气动、重量、性能和稳定性四个学科的无人机系统优化模型。与传统的设计方法相比,该方法为无人机在概念设计阶段提供了更加合理的飞行器外形,降低了初步设计和详细设计阶段对飞行器外形修改的可能性,从而缩短研制周期和降低成本。     

飞行器多学科优化设计技术概论

该文比较详细地阐述了多学科优化设计(MDO)的主要思想和内容,对MDO的关键技术--求解策略和代理模型技术做了比较深入的探讨。通过一个算例,简述了MDO技术在飞行器设计中的应用。     

某型飞机平尾转轴可靠性灵敏度分析

采用了基于改进一次二阶矩法、基于Monte-Carlo直接模拟法、基于重要抽样法的可靠性灵敏度分析方法以及一种基于重要抽样的可靠性灵敏度分析方法,对某型飞机平尾转轴进行可靠性灵敏度的求解,并分析了某型飞机平尾转轴可靠性灵敏度随变异系数变化的趋势,为其可靠性设计提供了参考信息。通过4种方法结果相比较,可以说明各种方法的特点并验证了它们在工程问题上的可行性。     

高超声速飞行器混合灵敏度控制器设计

由于高超声速飞行器飞行过程中存在无法预知的扰动和不确定因素,选用H∞鲁棒控制理论进行控制系统设计。研究了H∞混合灵敏度优化设计方法,选取适当的加权函数,根据＂2-Riccati方程＂利用Matlab鲁棒工具箱设计控制器。仿真结果表明,采用混合灵敏度设计方法设计出的控制器能够满足设计指标的要求,达到很好的控制效果。     

考虑飞行器动力系统进排气效应的设计参数灵敏度分析研究

面向飞行器内外流一体化设计,基于自主研发的大规模并行化结构化网格RANS求解器以及离散伴随方程求解器,开展了考虑推进系统动力状态下进排气边界条件的变分研究,通过链式求导法则避免直接对守恒变量变分,进一步引入中间变量大幅度简化了进排气边界条件变分的难度,建立了考虑进排气效应的设计变量灵敏度高效分析方法,并通过TPS标准模型计算验证了进排气数值模拟精度,与有限差分对比验证了灵敏度计算精度,以翼上发动机气动布局进排气影响数值模拟为例,系统分析了低速、高速、定攻角、定升力状态,推进系统有无动力工况灵敏度的变化以及影响机理。     

发动机连杆的可靠性灵敏度设计

将可靠性设计理论与灵敏度分析方法相结合,讨论了发动机连杆的可靠性灵敏度设计问题,提出了可靠性灵敏度设计的计算方法,给出了可靠性灵敏度的变化规律,研究了设计参数的改变对连杆可靠性的影响,为连杆的可靠性设计提供了理论依据。      

多学科设计优化在非常规布局飞机总体设计中的应用

以飞翼布局飞机总体设计为例,展示如何将多学科设计优化(MDO)方法有效地应用于非常规布局飞机总体设计.基于二级优化方法,提出一种飞机总体MDO实施流程.该流程包括系统级优化、子系统级优化(或评估)和多学科模型生成器3个部分.系统级优化的任务是优化全局设计变量,使系统目标最优.子系统级优化涉及的学科包括气动、隐身、结构、...     

基于单学科可行法的多学科可靠性设计优化

 近年来对多学科系统中不确定性的研究逐渐增多。针对该问题的计算复杂性,利用序列优化及可靠性评估（SORA）框架,提出用单学科可行（IDF）方法来求解多学科可靠性设计优化（RBMDO）问题。此方法将可靠性分析和多学科设计优化分离开来,分为确定性多学科设计优化和可靠性分析两个问题顺序执行,以提高计算效率。可靠性分析和优化的过程都采用多学科设计优化中高效的方法——IDF方法。最后通过例子验证此方法的有效性,算例结果表明,采用基于IDF的方法,学科1和学科2所用的函数计算次数分别减少了28.9%和25.0%。     

仿生微扑翼飞行器机构动态分析与工程设计方法

以工程应用为背景,从全局的角度提出了一种仿生微扑翼飞行器的动态分析与设计方法。在对鸟类的飞行参数进行统计分析的基础之上,拟合出扑翼飞行的仿生学公式,并据此进行了微扑翼飞行器的仿生学初步设计。根据仿生学结果设计了飞行器的传动布局、动力方案以及总体结构,并按照运动学分析、气动力分析以及动力学分析相结合的动态分析方法研究了微扑翼飞行器的动态特性。在动态分析的基础上进行了飞行参数的优化设计,使得微扑翼飞行器达到性能最佳。样机制作及风洞试验结果证明了这种方法的有效性与可行性。所得研究结论对微扑翼飞行器的设计、制作和应用提供了一定的理论依据。     

带子星航天器总体参数多学科设计优化

针对带子星航天器总体参数多学科设计优化(MDO)问题,进行系统任务分析和学科耦合关系分析.考虑有效载荷、轨道和结构等学科设计变量和约束条件,以航天器有效接近区和整星质量的综合指标为目标,建立MDO模型和相应分析模犁.利用iSIGHT软件搭建求解平台,采用基于罚函数的协同优化(CO)算法对所建立的MDO模型进行仿真计算,...     

Multi-disciplinary design optimization with variable complexity modeling for a stratosphere airship

This paper proposes a hybrid architecture based on Multi-disciplinary Design Optimization(MDO) with the Variable Complexity Modeling(VCM) method, to solve the problem of general design optimization for a stratosphere airship. Firstly, MDO based on the Concurrent SubSpace Optimization(CSSO) strategy is improved for handling the subsystem coupling problem in stratosphere airship design which contains aerodynamics, structure, and energy. Secondly, the VCM method based on the surrogate model is presented for reducing the computational complexity in high-fidelity modeling without loss of accuracy. Moreover, the global-to-local optimization strategy is added to the architecture to enhance the process. Finally, the result gives a prominent stratosphere airship general solution that validates the feasibility and efficiency of the optimization architecture. Besides, a sensitivity analysis is conducted to outline the critical impact upon stratosphere airship design.     

涡轮叶片多重精度MDO方法

考虑到多学科优化设计(multidisciplinary design optimization,MDO)的效率和精度,充分发挥当前涡轮叶片各种精度分析方法的优势,提出了涡轮叶片的多重精度多学科优化设计策略.利用协同优化策略在学科解耦和协调方面的能力,引入包括流固紧密耦合分析、流固热松散耦合分析和近似方程在内的涡轮叶片设计中的多种精度模型,结合两点式标度函数和优化过程阶段性收敛后更新,改进可变复杂度建模方法处理多重精度模型的能力,研究结果表明:仅调用9次高精度流固耦合分析就能确保涡轮带冠叶片多学科优化设计的效率和精度.      

多学科设计优化算法及其在飞行器设计中应用

多学科设计优化(MDO)算法是复杂系统设计优化的策略。对现有的各种MDO算法及其在飞机设计中应用状况进行分析、归纳和评述。内容包括:MDO问题的表述及其有关术语;MDO算法的任务;现有的MDO算法及其应用。     

考虑性能及成本的固体火箭发动机多学科设计优化

为综合考虑固体火箭发动机的燃烧室、药柱、内弹道、喷管及成本等学科影响,梳理学科间耦合关系,并建立了以总冲最大、成本最小为优化目标的固体火箭发动机多学科设计优化（MDO）模型。为降低MDO问题的计算成本,提出一种基于Kriging代理模型的多目标自适应优化方法（KRG-MAOM）。优化过程中,分别对目标与约束构建Kriging模型,并采用多目标优化算法求解,在伪Pareto解中综合考虑支配关系与分布特性选取新增样本点,引导优化快速收敛。算例结果表明,KRG-MAOM算法在全局收敛性与优化效率方面具有显著优势。最后,采用KRG-MAOM算法求解该MDO问题,得到可行的Pareto解集方案,与初始方案相比,同性能情况下成本节省约3.36%;同成本情况下性能提升约10.93%,从而验证MDO模型合理性与KRG-MAOM算法有效性。     

结构强度的模糊可靠性分析与计算

简述了模糊可靠性理论、有关定义并探讨了该理论在结构强度设计中的应用方法,最后以航天器复合材料舱段结构为例,把蒙特卡罗法和模糊可靠性理论结合起来,进行模糊随机可靠性分析和计算。