飞机翼面结构布局综合设计方法研究

为了探讨飞机翼面结构主要纵横骨架的最佳布局问题,并提供符合工程实际的、用于概念设计阶段的飞机结构设计方法,本文采用分级优化与集成的策略,该策略分为3个层次。第一个层次为拓扑优化,并由此确定纵向骨架的个数与位置的最优布局;第二个层次为尺寸优化,它用来确定翼面的中间参数;第三个层次为稳定性准则优化,它确定横向骨架的个数与位置的最优布局。在分级优化的3个层次中,拓扑优化是独立的,尺寸优化与稳定性准则优化是相互耦合的。以国外某飞机机翼为例,结果表明本文提出分级优化的思路与所采用的集成方法是可行的,并且具有很好的数值效果。作者认为：它对从事飞机结构设计的人员有一定的指导性和参考价值,值得在飞机设计部门推广应用。最后,总结给出5点结论供参考。     

Multidisciplinary Design and Optimization of Multistage Ground-launched Boost Phase Interceptor Using Hybrid Search Algorithm

This article proposes a multidisciplinary design and optimization (MDO) strategy for the conceptual design of a multistage ground-based interceptor (GBI) using hybrid optimization algorithm, which associates genetic algorithm (GA) as a global optimizer with sequential quadratic programming (SQP) as a local optimizer. The interceptor is comprised of a three-stage solid propulsion system for an exoatmospheric boost phase intercept (BPI). The interceptor's duty is to deliver a kinetic kill vehicle (KKV) to the optimal position in space to accomplish the mission of intercept. The modules for propulsion, aerodynamics, mass properties and flight dynamics are integrated to produce a high fidelity model of the entire vehicle. The propulsion module comprises of solid rocket motor (SRM) grain design, nozzle geometry design and performance prediction analysis. Internal ballistics and performance prediction parameters are calculated by using lumped parameter method. The design objective is to minimize the gross lift off mass (GLOM) of the interceptor under the mission constraints and performance objectives. The proposed design and optimization methodology provide designers with an efficient and powerful approach in computation during designing interceptor systems.     

推力室结构力学分析与优化设计

针对某液体火箭发动机推力室建立了参数化模型,使用有限元方法分析结构固有频率和振型,并进行了模态试验验证.采用最优拉丁超立方法进行计算机数值试验设计,得到了结构质量和1阶固有频率对于设计变量的敏感性,对于优化设计过程具有指导意义.使用NSGA-Ⅱ算法开展多目标优化设计,得到了同时满足静力学与动力学设计要求的推力室结构最优设计方案.最优设计方案的推力室质量减轻了9.1%,1阶固有频率值提高了22.6%,结果表明该方法能有效提高推力室的力学性能.      

直升机总体参数优化设计

根据直升机的飞行性能、稳定性、发动机和重量的要求,建立优化的分析模型,应用计算机和最优化技术求解,得到满足直升机设计准则的最佳总体设计方案。本方法也可用于对已有型号的总体参数分析和参数敏感性分析。通过算例和新机设计中的应用表明,本方法对直升机总体参数选择是行之有效的。     

Preliminary design and optimization of slotted tube grain for solid rocket motor

In this paper,design and optimization technique of slotted tube grain for solid rocket motors has been discussed.In doing so,the design objectives and constraints have been set,geometric parameters identified,performance prediction parameters calculated,thereafter preliminary designs completed and finally optimal design reached.Geometric model for slotted tube grain configuration has been developed.Average thrust has been taken as the objective function with constraints of burning time,mass of propellant,fixed length and diameter of chamber case.Lumped parameter method has been used for calculating the performance prediction parameters.A set of preliminary designs has been completed and an analysis of these results conducted.Although all the preliminary results fulfill the design requirements in terms of objective function and constraints,however in order to attain the optimal design,Sequential quadratic programming optimization technique has been adopted.As the slotted tube grain geometry is totally dependent upon various independent variables and each of these variables has a bearing on explicit characteristic of grain designing,hence affects of the independent variables on performance parameters have been examined,thus variation laws have been developed.Basing on the variation laws and the analysis of preliminary design results,upper and lower limits have been defined for the independent geometric variables and an initial guess provided for conducting optimization.Results attained exhibits that an optimal result has been attained and the value of objective function has been maximized.All the design constraint limits have also been met while ensuring sound values of volumetric loading fraction,web fraction and neutrality.This methodology of design and optimization of slotted tube grain for solid rocket motors can be used by engineers as a reference guide for actual design and engineering purposes.      

应用保护映射理论的高超声速飞行器自适应控制律设计

针对高超声速飞行器包线范围广、参数变化大的控制需求,应用保护映射理论提出一种高超声速飞行器的自适应控制律设计方法。首先建立整个飞行包线内的线性变参数(LPV)模型,在参数变化边界点设计一个初始的控制结构和参数,然后基于保护映射理论分析初始控制结构使闭环系统稳定的参数范围,通过迭代自动获取整个包线内满足性能指标的控制参数,进而通过多项式拟合设计出高超声速飞行器自适应控制律。所提出的方法能够根据初始控制结构自动寻找一系列满足性能要求的控制器参数,并确定这些控制参数满足闭环系统稳定的设计范围。仿真结果表明,所设计的自适应控制律能够确保高超声速飞行器大包线的设计要求,实现闭环系统的鲁棒稳定。     

基于均匀设计的小生境遗传算法及其在飞控系统中的应用

将小生境遗传算法(NGA)应用于飞行控制系统(FCS)的优化设计中,需要解决两个问题:如何选择目标函数及如何确定初始种群和算法运行参数。针对这两个问题,分别提出了基于参考模型的飞行控制系统优化策略及基于均匀设计的小生境遗传算法初始种群和运行参数的选择方法,根据规范要求将飞行控制系统的性能指标要求转化到参考模型中,利用均匀设计方法优选出合适的初始种群和算法运行参数。仿真结果表明,所提出的优化策略能够有效地解决飞行控制系统的优化设计问题,小生境遗传算法初始种群分布均匀,收敛速度快。     

基于贝叶斯优化的磁光阱多参数自主优化系统

磁光阱是一种冷却陷俘原子的装置，磁光阱实验参数的优化是冷原子实验中基础且重要的工作，人工手动优化参数需耗费大量时间，且很难确保最终参数是全局最优的。基于贝叶斯优化的机器学习方法是一种对目标表达式未知、非凸、多峰的量子物理系统进行参数优化的有效方案，该过程通常远快于人工手动调节，且有更大概率找到全局最优值。提出了一种基于贝叶斯优化方法的冷原子多参数自主实时优化实验方案，该方案通过成本函数构造、控制程序编写、贝叶斯算法优化等形成一个可自主优化的闭环系统。实验结果表明，经过约30 min的迭代优化，所提方案可有效完成磁光阱系统的多参数优化，并得到最优的实验结果；所提方案验证了贝叶斯优化方法在多参数物理系统中应用的可行性，通过改进成本函数，还可应用于其他的复杂多参数实验物理系统最优参数快速确定。     

Index allocation for a reusable LOX/CH4 rocket engine

Reusable rocket engines are the core components of reusable launch vehicles, and have thus become a major focus of aerospace engineering research in recent years. In practice, subsystem design is based on the overall index allocation of an engine; therefore, a multidisciplinary optimization approach is necessary. In this study, design of a reusable methane/liquid oxygen (LOX/CH4) rocket engine with a gas generator cycle was investigated using multidisciplinary optimization. Two parameters were chosen as design variables: pressure and fuel mix ratio of the main combustion chamber. Optimization objectives were specific impulse, structural mass, and life cycle cost of the reusable rocket engine, and constraints were assigned to each discipline according to rocket design requirements. Then, an optimization model was developed, and optimal design parameters were acquired for the LOX/CH4 rocket engine. The proposed method is effective for designing the index allocation of reusable rocket engines and takes into account the multidisciplinary nature of complex systems.     

鼠笼式弹性支承结构参数分步优化设计方法

为进一步提高鼠笼式弹性支承结构支承刚度设计的准确性,同时最大限度地减小鼠笼受到的最大应力,在相关研究的基础上,基于参数化建模思想,并结合有限元优化技术提出分步优化设计方法.采用鼠笼式弹性支承的刚度和应力计算公式并结合加工装配条件初定1组满足设计要求的结构参数值;建立鼠笼式弹性支承的有限元优化模型,并将初定的结构参数值代入到有限元优化模型作为优化的初始迭代值,同时以鼠笼笼条的长度和厚度为优化参数,经过迭代计算得到满足工程需求的结构参数.该方法可提高设计精度,节省设计时间.最后,结合具体算例验证了优化设计方法的有效性和实用性.     

TSTO运载器一级返场轨迹优化设计与在线生成

对水平起降两级入轨（TSTO）运载器一子级返场轨迹优化和轨迹在线生成问题进行了研究。首先，给出了较独特的一子级再入轨迹设计策略：先给定侧向剖面，再分段优化求解三维轨迹。针对返场过程的大幅转向需求，设计了形式简单的倾侧角-航向角偏差剖面，并定义了具有不同任务的航向转弯段和航向微调段；针对一子级宽速域气动变化显著特点，为避免轨迹跳跃，定义了增高减速段和下降滑翔段，并采用分段优化策略求解三维轨迹。其次，针对分离扰动造成的一子级初始状态偏差，扩展了自适应高维伪谱插值（AMPI）算法的参数空间，并将其应用于返场轨迹在线生成问题。仿真结果表明，设计的倾侧角剖面能够在倾侧角不翻转的前提下调整飞行航向对准着陆场，设计的分段优化策略能够保证高度曲线平稳无跳跃，采用的自适应高维伪谱插值算法能够在分离扰动影响下快速准确地实现在线轨迹生成。     

基于粒子群算法的航空离心泵复合叶轮优化设计研究

针对航空离心泵复合叶轮三元扭曲型线的优化设计问题,基于Matlab平台采用五点四次Bezier曲线控制四条轴面流线的空间圆周角度分布,实现复合叶型的参数化设计。在此基础上,应用批处理联合仿真方法对125组优化空间样本进行数值模拟,并以效率函数为目标,基于高斯型径向基函数构建复合叶轮型线参数的性能代理模型。最后采用粒子群算法对优化设计参数进行全局寻优搜索。结果表明,代理模型的修正复相关系数为0.9269,标准差为0.1036,能够满足参数预测的性能要求,优化后整泵水力效率提高2.72%。     

某直升机主减速器行星轮系功质比的区间多目标优化

针对某型直升机主减速器行星轮系功质比的优化问题，建立含有密度和啮合摩擦因数等不确定性参数的区间多目标优化函数及相应的约束函数，利用改进的区间多目标分层优化方法，得到多目标优化函数的最优结果区间和参数变量，对优化前后主减速器行星轮系的传动性能进行深入比较。根据优化结果设计直升机主减速器行星轮系的传动效率试验方案，试验结果表明:区间多目标优化后主减速器行星轮系质量减少6.2%，传动效率提高2.14%，且效率曲线变化随着载荷的波动更加趋于稳定，说明区间多目标优化方法应用于某型直升机主减速器行星轮系功质比优化方面的有效性。      

超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环性能分析及优化设计方法研究

为发展工程适用的超临界二氧化碳布雷顿循环优化设计方法,研究了关键参数对超临界二氧化碳再压缩循环性能的影响规律,阐述了循环优化设计的必要性,并基于粒子群算法发展了一种再压缩循环优化设计方法.该方法以最低循环压力、循环增压比和分流因子为优化变量,以循环热效率为目标,以合流三通进口温差为约束条件.参数影响规律分析结果表明:循...     

基于多目标遗传算法的大型客机总体参数优化

在大型客机总体参数设计的基础上,提出总体参数优化的问题。建立多目标优化的数学模型,采用多目标遗传算法对大型客机的总体参数进行优化设计。考虑只对一个目标函数进行优化的单目标优化问题,设计程序进行单目标优化的计算。比较单目标优化和多目标优化的结果,分析两种优化方法的差异。算例表明,采用单目标优化在提升优化目标性能的同时会牺牲其他目标函数的总体性能,而多目标优化能兼顾各个目标函数的需求,并使整体达到最优。     

基于工程的跨声速机翼两步优化设计方法

以跨声速机翼设计中权衡气动性能和总体设计要求的工程应用为出发点,在保证机翼结构重量和容积不变的约束下,提出了平面形状优化与剖面翼型优化结合的两步优化设计策略.应用神经网络和遗传算法,建立了相应的设计方法.采用两步优化方法进行跨声速机翼设计,第一步设计中,通过平面形状优化,增大机翼展弦比、减小诱导阻力是机翼气动性能改善的...     

一种喷口控制的多目标约束设计方法

为克服试凑法在控制回路参数优化中的局限性,针对涡扇发动机在加力状态易出现喷口摆动的不协调现象,考虑喷口双环控制结构工作特点,采用按需正向设计策略,按照控制系统时域、频域性能指标设计要求,制定兼顾频域、时域性能要求的内、外环协调控制的设计目标准则,提出一种喷口控制的多目标约束的差分进化内外环控制参数自整定优化设计方法,在双转子涡扇发动机非线性模型上进行闭环控制系统仿真验证。结果表明：在飞行高度从0增加到10 km、飞行马赫数从0加速到0.9的起飞和爬升状态进入加力过程以及平飞中保持飞行马赫数不变的关断加力过程中,发动机未出现喷口摆动等现象,涡轮落压比最大相对误差不大于1.5%,喷口闭环控制系统具有期望的伺服跟踪和抗飞行条件变化干扰能力。     

一种转子动力吸振器的参数优化方法

对用于抑制转子系统启机过临界转速时过大振动的动力吸振器进行参数优化设计,以达到最优抑振目的。利用有限元方法建立动力吸振器-转子耦合系统的动力学方程,求得耦合系统的半数值半解析的响应表达式。设计优化策略利用响应解与限边界的坐标轮换法相结合,寻找动力吸振器的最佳设计变量;将所得最优参数的动力吸振器与常规优化设计方法设计的动力吸振器的抑振性能进行对比,并分析动力吸振器对参数最优偏离的敏感性。结果表明:该参数优化方法优化的动力吸振器能降低1阶共振幅值达45.4%,说明了该方法的有效性;该方法比两种有效的常规优化方法优化的动力吸振器的抑振效果分别高11.2%、9%,可见其优化效果的优异性;与阻尼最优偏离相比,该参数优化方法优化的动力吸振器的抑振性能对刚度最优偏离具有更高的敏感性。      

飞机操纵系统优化设计软件开发与运动仿真

飞机发动机操纵系统和舵面操纵系统通常采用连杆机构传递运动。本文介绍了飞机操纵系统的通用优化设计软件———ACSODS软件。本软件可根据传动系统的设计要求,对传动系统的各参数进行优化设计,同时生成系统运动的动态仿真图,因此,可以大大缩短传动系统的设计周期和设计费用。软件操作简便,界面友好,有较好的人机对话式的交互功能,并具有直观形象的设计特点,为设计者提供了一个高效、实用的设计平台。通过与实际系统的比较,设计结果完全能满足系统的要求。     

配电方式对Kaufman离子推力器性能的影响研究

目前Kaufman离子推力器主要有两种最具代表性的配电方式:屏栅极电源正端分别连接阳极电源正、负端的配电方式。为了研究配电方式对Kaufman离子推力器工作性能的影响,基于等离子体理论和推力器工作原理,分析两种主要配电方式下放电室电极电势及电流平衡关系,推导了放电室等离子体特性表达式,理论分析了配电方式对离子推力器多种性能参数的影响。结合兰州空间技术物理研究所自研的LIPS300离子推力器在两种配电方式下工作在3kW和5kW的性能试验,通过解析方法对离子推力器多种工作参数和性能参数进行分析,试验结果与理论分析结果具有良好的一致性。研究表明:采用屏栅极电源正端连接阳极电源负端的配电方式能够获得更大的推力和比冲,并能提高离子对栅极透明度,减少离子对屏栅极的溅射,从而提高栅极寿命,但束离子产生成本稍高。研究结果可为离子推力器配电方式的设计与优化提供依据。