基于多学科参数化建模和灵敏度分析的飞行器分级优化设计方法

提出一种将飞行器参数化建模、灵敏度分析与气动/隐身综合优化设计相结合的方法.该方法的流程为:(1)建立面向多学科设计的参数化模型,提取分级参数;(2)对分级参数进行灵敏度分析,筛选设计变量;(3)基于分级优化流程,应用多目标优化算法进行飞行器气动/隐身综合优化设计.以一个四尾翼布局飞行器气动/隐身综合优化设计为例,阐述流程的实现过程,结果表明这种方法具有如下优点:(1)多学科参数化建模为气动和隐身性能分析提供统一的参数化模型;(2)使用灵敏度分析工具对分级设计参数进行筛选,精简优化设计任务;(3)基于分级参数和灵敏度分析进行分级优化设计,优化适应值提高56.1%,耗时减少57.02%.     

飞行器气动与隐身综合特性数值分析

开展了飞行器气动与隐身综合特性数值研究,编制了相应的计算与分析程序。该程 序的主要 功能包括：飞行器外形参数化和计算网格的生成,气动特性计算（利用有限体积方法求解NS 方程）,隐身特性计算（利用时域有限差分方法求解Maxwell方程）,飞行器气动与隐身综 合特性分析。作为应用的一个实例,对一种带翼钝锥体的气动和隐身综合特性进行了分析, 并设计出两种新的外形,新外形的气动和隐身综合特性与原形相比有明显提高。     

高超声速飞行器气动/隐身优化设计方法

针对高超声速飞行器气动布局设计中气动设计与隐身设计矛盾的问题,采用高精度气动和隐身计算方法,建立了基于直接全局优化算法、二次曲线参数化方法和Kriging代理模型的多学科优化设计平台,并对典型高超声速布局升力体外形开展气动/隐身一体化优化设计研究。结果表明：升力体布局典型状态下升阻比由3.13提高到3.69,考虑垂直极化和水平极化状态,俯仰±30°的雷达散热截面（RCS）均值下降60%以上,表明该平台具有良好的寻优能力,风洞试验结果验证了优化算法的可行性;高超声速飞行器的机身和翼/舵等部件具有显著的绕射特性,物理光学法等高频算法不能准确捕捉前后缘绕射,应当采用矩量法计算其RCS特性;高超声速飞行器的垂直极化和水平极化的RCS特性差异巨大,在设计中应当予以考虑。     

水平空中发射固体有翼运载火箭总体/动力/气动/轨道一体化设计与优化

综合考虑固体火箭发动机设计、带翼火箭气动外形设计、轨道设计和总体特性相互作用相互影响的情况下,建立了水平空中发射固体有翼运载火箭总体／动力／气动／轨道一体化设计优化模型和系统分析模型。测试了系统分析软件,应用基于方向的遗传算法优选了某水平空中发射固体有翼运载火箭28个设计参数。结果表明,计算结果与工程实际结果吻合较好,优化设计效果明显,优化所得火箭起飞质量是原方案的84．32％。     

通用航空飞行器气动布局设计优化

研究了通用航空飞行器气动布局设计优化问题。应用基于二次曲线的模线设计方法，实现了通用航空飞行器的参数化外形建模。采用修正的牛顿流理论进行高超声速气动特性计算。在保持纵向稳定性的条件下，以升阻比和容积效率最大化为目标，建立通用航空飞行器气动布局多目标优化模型。应用基于小生境竞争排挤机制的多目标遗传算法求得优化模型的非劣解集。将物理规划设计方法与稳定、高效的粒子群优化算法相结合，有效地求解该优化模型的折衷解。优化结果表明本文的通用航空飞行器气动布局设计优化方法是有效的。     

基于Optimus的涡轮气动优化设计

针对涡轮在理论设计和实际应用中存在的不足,提出了利用多学科优化平台对涡轮进行气动优化设计的方法。首先运用UG／Grip技术对涡轮进行三维造型,然后利用试验设计方法建立计算试验样本点分布表,用商用软件进行各样本点的CFD计算及热-应力耦合分析计算,最后建立响应面模型,对其进行优化设计。结果表明,优化后的涡轮效率比优化前提高5％。该方法为进一步提高涡轮的气动性能,减少损失提供了一定的依据。     

乘波飞行器广义参数概念设计

在传统布局外形设计参数的基础上，提出用广义参数对乘波飞行器概念外形进行前体／进气道-后体／喷管一体化设计。对所设计的三种外形方案，计算了设计点和非设计点的气动性能，并对影响性能的因素进行了讨论。计算结果表明，采用广义参数设计乘波飞行器概念外形是可行的。     

一种半解析方法火星再入探测器一体化设计模型

提出了一种火星再入探测器的半解析法一体化模型,为未来火星探测器的初步设计提供包括弹道、气动参数、防热系统在内的设计依据。在任务初步设计阶段,由于涉及多个学科,火星大气与地球大气模型差异很大,需要考虑的因素很多,因此需要一个半解析的,能够实时进行弹道、气动参数和防热层温度分布计算的设计工具。该工具应该包括气动外形、弹道、防热为一体的设计模型,且能满足计算负担要求。基于此,提出了一种普遍适应的火星探测器外形定义方程,并对其中的一种特殊情况进行了解析公式的推导。在合理假设的前提下,给出了计算防热层内部温度分布的半解析计算公式,并以MER\|B (Mars Exploration Rover)探测器为例进行了弹道和气动受热仿真。计算结果表明,该一体化计算模型的仿真计算落点与实际落点很接近,达到了火星探测器初步设计阶段一体化的计算要求。
     

基于类咽式进气道的高超声速飞行器一体化设计

针对吸气式高超声速飞行器高空巡航飞行时净推力和升力不足的难题,探索了一种基于类咽式进气道的高超声速飞行器一体化设计方法。该方法耦合了具有高升阻比特性的乘波机体和气流压缩性能优异的三维内收缩进气道,获得了一种气动性能较优的高超声速飞行器一体化构型。在设计过程中,对一种咽式进气道的几何外形和激波系结构进行了适当改变,得到了能与楔形乘波前体进行一体化设计的类咽式进气道构型,并采用遗传算法对进气道参数进行了优化;以所得到的进气道和乘波体为基础对飞行器整体构型进行了飞行器内外流一体化设计。无黏计算所得流场与理论设计吻合良好,有黏计算结果表明该飞行器在马赫数7时最大升阻比达到3.4,具有良好的气动性能。     

空间环境模拟设备低温系统研制中的软件应用及参数化驱动设计

为提升空间环境模拟设备的设计效率和用户体验度,针对北京卫星环境工程研究所成功研制或正在研制的地面产品,运用CAD/CAE软件对其低温系统进行三维建模和仿真分析;依托Inventor软件进行二次开发,设计了一款专门的空间环境模拟设备数字化集成设计平台。通过对专业模型参数化驱动技术的研究,给出热沉系统参数化的各主要节点和驱动设计流程,并验证设计流程的有效性。最后,对氮系统的零件库动态扩充进行了探讨。