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、...     

无人驾驶飞行器的气动特点和设计

首先论述了发展无人驾驶飞行器(UAV)的重要性,集中介绍了2种UAV的平台,包括:高空长航时UAV和无人战斗机(UCAV)。讨论了这2种飞行器空气动力特点和气动设计的主要问题。对于高空长航时UAV设计中要重点发展的专用翼型的设计,介绍了一种新型的杂交设计思想和提出了基于CFD技术的多目标多点优化设计的工具。讨论了此类飞行器三维机翼设计的基本要求和三维后掠自然层流机翼的设计。UCAV设计中强调了气动/隐身综合设计的重要性,讨论了无尾布局时新型先进气动控制和矢量推进相结合的必要和难点。     

倾转旋翼桨叶空气动力学/结构动力学多学科优化设计研究

采用了多学科设计优化方法, 根据涡流理论建立了倾转旋翼桨叶空气动力学分析模型, 利用CATIA, ANSYS和ADAMS等软件分析倾转旋翼桨叶结构动力学特性, 采用iSIGHT多学科设计优化软件集成空气动力学和结构动力学分析模型, 建立起倾转旋翼桨叶空气动力学/结构动力学多学科设计优化系统, 进行多学科设计优化研究.并以倾转旋翼机XV-15的桨叶为算例, 进行设计优化, 结果表明提出的倾转旋翼桨叶空气动力学/结构动力学多学科设计优化方法是可行和有效的.      

基于近似技术的高亚声速运输机机翼气动/结构优化设计

探索基于近似技术的高亚声速运输机机翼气动/结构多学科设计优化方法,建立了基于近似技术的多学科设计优化框架。气动学科采用全速势方程加黏性修正进行翼身组合体跨声速流动的气动计算,结构学科采用有限元分析方法进行应力与变形计算。采用均匀设计法给出若干样本点,分别采用二次响应面、Kriging模型和径向基神经网络等多种近似技术,构造气动学科和结构学科的近似分析模型,并对几种近似模型精度进行了分析和比较。研究发现,Kriging模型和二次响应面具有几乎等同的较高的近似精度,神经网络的近似精度则较差,由于二次响应面计算量更小,故最终选定为机翼设计优化的近似方法。以升阻比和结构重量为目标,考虑升力、机翼面积以及应力和应变约束条件,对运输机机翼4个外形参数和4个结构参数进行多目标、多约束优化设计。优化后的机翼具有较好的气动/结构综合性能,表明本文方法是可行的。     

基于分布／并行计算框架求解多学科设计优化问题

计算框架是多学科设计优化研究的重要问题之一。首先,针对一种基于代理模型的二级优化方法,提出三种不同的分布／并行策略,并对这三种策略的优缺点进行分析。然后,选择其中一种分布／并行策略,以构造代理模型的过程为例,阐述该策略的实现过程。最后,以一个飞翼布局飞行器多学科设计优化问题为算例,在iSIGHT-FD／FIPERACS平台上建立一个分布／并行的多学科设计优化计算框架。应用算例表明,建立的分布／并行计算框架可以明显缩短多学科设计优化问题的求解时间。     

一种考虑气动弹性的运输机机翼多学科优化方法

探索了在运输机初步设计阶段的一种计及气动弹性的机翼气动/结构综合优化设计方法.该方法将试验设计方法与二次响应面、Kringing模型和神经网络等工程近似技术相结合,建立考虑气动弹性后的气动性能和结构性能的近似分析模型,在这些近似模型的基础上进行最优化设计.应用该方法进行了高亚声速运输机计及气动弹性的机翼气动/结构综合优化设计,设计结果表明:(1)近似模型精度满足工程设计要求,所设计的高亚声速运输机机翼具有较好的气动/结构综合性能,表明本文方法是可行的;(2)计及气动弹性的优化设计结果比不考虑气动弹性的优化设计结果性能有很大提高,说明对高亚声速运输机机翼设计来说,在初步设计阶段考虑气动弹性是很有必要的.     

飞翼无人机平面外形气动隐身优化设计

对一种双后掠飞翼布局隐身无人机(UAV)平面外形,基于参数化模型和网格自动划分技术,采用气动无黏/黏性数值求解模型和隐身工程评估方法结合单/多目标优化算法,在给定的变量设计空间中完成了气动隐身综合优化设计研究。通过多目标优化给出了布局气动升阻性能相对隐身性能的最优设计边界,指出了外形气动与隐身设计之间存在的冲突关系,即一方性能提升必会使另一方性能降低,不存在双方同时最优的解,飞翼外形设计时需要在气动与隐身间进行权衡折中。计算表明,在飞翼布局外形优化中应采用精度高的黏性气动计算模型。所建立的气动隐身一体化优化设计方法,为飞翼布局无人机外形精细设计奠定了基础。     

协同优化在机翼气动／结构一体化设计中初步应用

探讨协同优化方法是否能有效地解决机翼气动 结构一体化设计优化问题。首先对基本的协同优化和基于响应面协同优化二种方法的特点进行了探讨,然后以轻型飞机机翼气动 结构一体化设计为例,着重研究如何用协同优化方法建立机翼气动 结构一体化设计的优化模型。研究结果表明,基本的协同优化算法不能有效地解决该机翼气动 结构一体化优化问题,而基于响应面的协同优化方法在求解这一问题时具有较好的鲁棒性。     

基于多层优化策略的涡轮盘叶设计研究

针对涡轮多学科优化设计,将多层优化策略中的重要原则学科自治扩展到组件自治;并结合目前的多学科优化策略BLISS(bi-level integrated system synthesis)2000和CO(collaborative optimization)以及ATC(analytical target cascading),设计出新的多学科优化框架.利用BLISS2000建立了涡轮盘叶的两层双子系统优化框架和两层三子系统的优化框架;结合BLISS2000和CO各自的优点构建了三层三子系统优化框架;从定性的分析角度排除了ATC在涡轮多学科多层优化设计上的应用.通过对比分析,三子系统的多层优化策略的优势主要体现在优化效率方面;层与层之间存在复杂的交互迭代过程导致三层系统往往比双层系统表现出差的精度和效率.      

大展弦比前掠翼气动隐身多目标优化

前掠翼布局优越的气动性能为无人机气动布局设计提供了一条新的方向。采用CST方法对翼型几何外形进行参数化描述,实现前掠翼气动和隐身多学科优化设计模型的参数化描述。建立了基于N-S方程的计算流体力学方法的前掠翼气动分析模型和基于矩量法的计算电磁学方法的前掠翼隐身分析模型。提出了基于Kriging模型的前掠翼气动隐身多目标优化方法,采用拉丁超方试验设计方法获取样本点,建立前掠翼气动和隐身的Kriging代理模型。将Pareto多目标遗传算法与Kriging代理模型结合进行大展弦比前掠翼的气动隐身多目标优化设计。研究结果表明,所建立的分析模型是合理的,所提出的多目标优化设计方法是可行的,能够有效提高大展弦比前掠翼性能与优化效率。     

An optimization method for metamorphic mechanisms based on multidisciplinary design optimization

The optimization of metamorphic mechanisms is different from that of the conventional mechanisms for its characteristics of multi-configuration. There exist complex coupled design variables and constraints in its multiple different configuration optimization models. To achieve the compatible optimized results of these coupled design variables, an optimization method for metamorphic mechanisms is developed in the paper based on the principle of multidisciplinary design optimization（MDO）. Firstly, the optimization characteristics of the metamorphic mechanism are summarized distinctly by proposing the classification of design variables and constraints as well as coupling interactions among its different configuration optimization models. Further, collaborative optimization technique which is used in MDO is adopted for achieving the overall optimization performance. The whole optimization process is then proposed by constructing a two-level hierarchical scheme with global optimizer and configuration optimizer loops. The method is demonstrated by optimizing a planar five-bar metamorphic mechanism which has two configurations,and results show that it can achieve coordinated optimization results for the same parameters in different configuration optimization models.     

无尾飞翼气动布局是UCAV总体设计的最佳选择

从我国UCAV使用要求(作战模式)出发，分析了四个突出的设计特点，并且阐述了无尾飞翼气动布局的固有优势，最后得出无尾飞翼气动布局是我国UCAV总体设计方案的最佳选择。同时分析了无尾飞翼气动布局的主要问题及其解决途径，设计思想符合航空飞行器设计规律。     

自由网格变形技术在涡轮叶片多学科设计优化过程中的应用

在涡轮叶片多学科设计优化过程中,结构计算的变形向气动模型传递是解决气固耦合时非常重要的一个环节。本文研究了一种网格变形技术———自由网格变形法(FFD)在涡轮叶片多学科设计优化(MDO)过程中的应用。通过涡轮叶片结构模型至气动模型变形传递的例子,表明应用该技术进行变形传递可以避免结构变形向气动网格传递时的气动网格重生成过程,在保证变形后气动模型网格质量的条件下,实现学科间的变形传递,可直接用于解决涡轮叶片MDO过程中学科间解耦的问题。     

分布式协同进化MDO算法及其在导弹设计中应用

 针对现有基于梯度的多学科设计优化 (MDO)算法不适用于具有离散和整数设计变量、设计空间非凸或不连通的多学科设计优化问题,以及倾向于收敛到接近初始点的局部最优点的缺点,为充分发挥进化算法的优越性,根据协同进化与 MDO在本质上的相似性,采用分布式协同进化机制进行 MDO算法研究。提出了分布式协同进化 MDO算法,并将该算法应用于导弹的气动 /发动机 /控制一体化优化设计。     

Effect of Variable Selection on Multidisciplinary Design Optimization： a Flight Vehicle Example

Different multidisciplinary design optimization (MDO) problems are formulated and compared. Two MDO formulations are applied to a sounding rocket in order to optimize the performance of the rocket. In the MDO of the referred vehicle, three disciplines have been considered,which are trajectory, propulsion and aerodynamics. A special design structure matrix is developed to assist data exchange between disciplines. This design process uses response surface method (RSM) for multidisciplinary optimization of the rocket. The RSM is applied to the design in two categories: the propulsion model and the system level. In the propulsion model, RSM deter-mines an approximate mathematical model of the engine output parameters as a function of design variables. In the system level, RSM fits a surface of objective function versus design variables. In the first MDO problem formulation, two design variables are selected to form propulsion discipline. In the second one, three new design variables from geometry are added and finally, an optimization method is applied to the response surface in the system level in order to find the best result. Application of the first developed multidisciplinary design optimization procedure increased accessible altitude (performance index) of the referred sounding rocket by twenty five percents and the second one twenty nine.     

分析模型参数化建模在飞机多学科优化设计中的应用

 论述分析模型参数化建模在飞机多学科优化设计中的重要意义,提出一种机翼气动与结构分析模型参数化建模方法。优化设计变量与机翼气动计算网格的中间参数变量用于描述机翼气动网格变形情况,并建立结构有限元网格与优化设计变量的空间变化关系,实现机翼气动/结构多学科优化设计模型的参数化描述。气动性能计算采用基于N S方程的计算流体力学方法,利用试验设计方法（DOE）和响应曲面模型（RSM）技术构造气动响应曲面用于优化设计,结构计算调用MSC/NASTRAN完成。采用Pareto遗传算法对一大展弦比复合材料机翼模型进行了多学科优化设计分析,得到Pareto前沿面和可选方案以供决策者选择。     

Effects of stability margin and thrust specific fuel consumption constrains on multi-disciplinary optimization for blended-wing-body design

Blended-Wing-Body(BWB) configuration, as an innovative transport concept, has become a worldwide research focus in the field of civil transports development. Relative to the conventional Tube-And-Wing(TAW) configuration, the BWB shows integrated benefits and serves as a most promising candidate for future ‘‘green aviation". The objective of the present work is to figure out the effects of the stability margin and Thrust Specific Fuel Consumption(TSFC) on the BWB design in the framework of Multi-Disciplinary Optimization(MDO). A physically-based platform was promoted to study the effect static stability margin and engine technology level. Low-order physically based models are applied to the evaluation of the weight and the aerodynamic performance. The modules and methods are illustrated in detail, and the validation of the methods shows feasibility and confidence for the conceptual design of BWB aircrafts. In order to find out the relation between planform changes and the selection of stability and engine technology level, two sets of optimizations are conducted separately. The study proves that these two factors have dominant effects towards the optimized BWB designs in both aerodynamic shapes, weight distribution, which needs to be considered during the MDO design process. A balance diagram analysis is applied to find out a reasonable static stability margin range. It can be concluded that a recommended stability margin of a practical BWB commercial aircraft can be half of that of a conventional TAW design.     

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.     

飞行器气动隐身一体化设计方法研究

针对典型的翼身组合体飞行器构型,对飞行器气动隐身一体化设计的具体实现方法进行了探索。通过采用面元法计算飞行器气动性能,采用物理光学方法来计算其雷达散射截面积,实现了基于遗传算法的飞行器气动性能与隐身性能两个目标函数之间的折衷与优化。并在此基础上建立了上述算法的并行处理方法;提出了旨在提高优化计算效率的响应面方法,在响应面方法中,响应函数模型分别采用了神经网络模型和模糊逻辑模型来进行构造,对设计算例均得出了比较好的优化设计计算结果。     

大型飞机增升装置气动机构一体化设计技术进展

增升装置设计作为大型客机设计的关键技术之一,其设计水平的提升将极大提高飞机的整体性能。虽然先进增升装置方案朝着简单形式发展,但其设计目标将结合气动、机构、结构、噪声等复杂考虑因素,以达到最优的综合性能和提高飞行的安全性、经济性和舒适性,是个高难度多学科多约束耦合的设计问题。结合气动优化、机构设计、一体化研究等多方面增升装置设计难点进行论述,并提出相应解决方案,最终完成气动/机构一体化设计。分别回顾了干净构型到巡航构型的外形设计方法;起降构型的气动评估、优化方法;增升装置位置表达方法和机构设计研究现状。最后阐述了气动/机构一体化设计方法的思想,总结了国内外在该方向所进行的研究和取得的成果。