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。     

基于多方法协作优化算法的飞机总体优化设计

针对飞机总体优化设计中存在目标函数与变量之间没有显式关系式等问题,在建立包含推进、气动、性能及重量四个学科的飞机总体设计模型的基础上,采用遗传算法、模式搜索法和Powell法结合的多方法协作优化策略实现了飞机总体参数的优化;并对优化方案进行参数灵敏度分析,优化后飞机正常起飞总重较优化前降低11.6%,优化效果显著.分析结果表明了基于多方法协作优化算法的飞机总体优化设计的有效性.     

大膨胀比向心涡轮多学科优化设计及敏感性分析

向心涡轮内部流动复杂,功率密度大且结构限制严,因此,向心涡轮的设计必须考虑到气动、强度、结构等多学科间的耦合问题。采用多学科优化策略是提升向心涡轮气动效率和安全可靠性的一种可行途径。基于向心涡轮结构特点,发展了通用的向心涡轮三维参数化造型方法。耦合多目标优化算法和向心涡轮三维参数化方法,建立了向心涡轮多目标多学科优化设计体系。以频率为约束,以提高总静效率、降低叶根最大应力为优化目标,开展了向心涡轮的多学科优化设计。优化后,在避开所有危险共振频率的前提下,就单一性能指标而言,涡轮级的总静效率最高可提高1.35%,叶根最大当量应力最高可降低12.54%。进一步,对设计空间开展了敏感性分析,揭示了对性能指标影响显著的设计变量,阐明了关键设计变量对性能指标的影响机制。     

无喷管助推器药柱结构优化设计研究

为了得到无喷管助推器药柱设计的最优解,采用无喷管助推器一维非定常内弹道计算方法和粒子群模式搜索混合优化算法,构建了无喷管助推器药柱优化设计框架,优化框架中粒子群算法用于全局搜索,模式搜索算法用于局部搜索。对圆柱内孔装药无喷管助推器的药柱结构进行了优化设计,最大化总冲设计在不增大峰值压强的条件下总冲提升了5.4%,最小化峰值压强设计在总冲不降低的条件下峰值压强降低了33.8%,表明设计框架适用于无喷管助推器药柱优化设计过程,能够满足不同药柱设计的需求,混合优化算法的采用大大降低了优化设计代价。     

双三相永磁同步发电机多目标优化设计

为实现双三相永磁同步发电机(PMSG)的低固有电压调整率、高发电效率和低成本的特性,研究了侧重于降低固有电压调整率的多目标优化设计方案。采用解析法建立单元电机磁链模型,以永磁体磁化方向长度、永磁体所跨弧长和单元电机相绕组匝数为设计变量,分析上述参数对固有电压调整率、发电效率等评价指标的影响,并提出了基于权重系数的多目标优化函数。分别用标准遗传算法(SGA)、差分进化算法(DE)和基于以上2种算法的混合遗传算法(HGA)优化设计参数并进行对比。试验结果表明,HGA优化效果与设计目标具有良好的一致性,与初始设计参数相比,优化后的电机输出能力以及稳压能力均有所改善。     

商用发动机10级高压压气机一维特性优化设计

采用HARIKA算法对某商用发动机10级高压压气机进行了一维特性预测.引入遗传算法优化设计手段,以压气机一维设计参数为优化变量,设计转速下特性线的峰值效率、裕度为优化目标函数.与初始特性线相比,压气机在优化后设计转速时特性线的峰值效率提高了12.3%,裕度由11.7%提高到25.13%.对变几何压气机特性进行了优化分析,给出不同换算转速下进口导叶及前3级静子叶片安装角的最佳调节规律.优化后的压气机在非设计转速下的效率特性得到了大幅提升,压比特性得到了提高,流通能力也得到了加强.将压气机一维优化的特性线与采用一维优化设计参数得到的全三维计算结果在1.0,0.9倍换算转速下进行了对比,两者预测出的喘振边界在最大偏差处不超过6.25%.      

基于遗传算法与近似模型的全局气动优化方法

开发了基于精英保留策略与小生境技术的求解有约束优化问题的改进遗传算法,并用一多峰值有约束函数对其寻优能力进行了测试。为了降低气动优化设计时间,提出了集成实验设计、三维粘性流场求解程序、二次多项式近似模型、改进遗传算法的具有全局寻优能力的三维气动优化设计体系。采用该方法对NASA Rotor37动叶片叶型进行了以绝热效率最大为目标的优化设计,优化后叶片绝热效率提高1.1%。该结果表明了本优化设计体系省时、高效的特点。     

低HSI噪声旋翼桨尖外形优化设计方法

建立了一套基于计算流体力学(CFD)/FW-H_pds方程(Ffowcs Williams-Hawkings equations with penetrable data surface)的气动噪声预估技术和组合优化算法的低噪声旋翼桨尖平面外形设计方法。首先,采用积分形式的可压雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程作为旋翼流场求解控制方程,围绕旋翼流场的网格采用嵌套网格方法生成。在优化过程中,桨叶网格生成采用提出的高效参数化的网格自动生成方法。在建立的CFD方法求解基础上,采用基于可穿透旋转积分面的鲁棒性较好的FW-H_pds方程来求解旋翼高速脉冲(HSI)噪声。然后,以降低旋翼HSI噪声为目标,以旋翼悬停气动性能为约束,提出具备前掠-后掠-尖削等组合特征的桨尖外形方案并进行优化分析。将基于拉丁超立方(LHS)方法和径向基函数(RBF)的代理模型方法耦合到遗传算法过程中,建立了一种高效的组合优化算法。在当前的计算状态下,优化后的桨尖外形的负压峰值相比于矩形桨叶降低了58.4%,优化后的桨叶有效地减弱了旋翼桨尖区域的跨声速"离域化"现象,因此可以降低旋翼HSI噪声特性,同时可以减弱旋翼桨尖涡强度达30%,旋翼悬停性能提高了2%~3%。     

鼠笼式弹性支承结构参数优化设计与试验

进行了鼠笼式弹性支承的优化设计与试验研究.基于遗传算法和MATLAB开发了优化设计软件,进行了某航空发动机鼠笼式弹性支承的结构参数优化设计,并进行了柔度试验和疲劳应力试验.结果表明,疲劳应力下降到原来的40%,优化结果与试验结果的误差小于6%,验证了优化设计的有效性.     

动力短舱多点气动优化设计

跨声速发动机短舱的设计过程十分复杂,其设计往往需要在相互矛盾的设计要求中进行权衡。本文针对带动力短舱多点气动设计问题,采用类别形状函数变换法（CST）进行几何外形参数化,结合Kriging代理模型、Pareto遗传算法和松散式代理模型管理框架,构建了动力短舱多点优化设计平台。在巡航状态,优化目标是降低短舱外表面最大马赫数使短舱阻力减小,提高外流性能;在最大推力状态,优化目标是降低进气道最大马赫数使进气品质提升,提高内流性能。与初始短舱相比,优化设计结果在两个设计点性能上均有所提高,最大马赫数在巡航状态最多降低5%,而在最大推力状态最多降低10%。参数影响规律表明,短舱头部参数对外流和内流性能影响较大,且影响规律不同,应作为短舱综合优化设计的主要参数,并采用不同的优化设计策略。Pareto前沿阵面可以给出满足不同工程设计要求的最优方案。研究结果表明,本文建立的优化设计平台为动力短舱设计提供了有效工具,优化设计结果具有工程参考价值。     

组喷孔喷嘴对双对置柴油机喷雾及燃烧的影响

针对双对置柴油机混合气形成困难的特点，采用CONVERGE CFD软件，建立双对置柴油机数值仿真模型。设计3种汇聚型组喷孔喷嘴的喷孔布置方案，研究在保持喷油压力不变的前提下，对3种方案下喷雾、混合气形成和燃烧过程进行分析。结果表明:与传统喷嘴相比，改进后的组喷孔喷嘴对喷雾贯穿距影响较小，有利于缸内湍流动能的提高，加快缸内混合气的形成速率。同时，组喷孔喷嘴使燃油分布更加均匀，分布区域也更广，有利于改善油气混合质量，提高双对置发动机气缸压力和燃烧效率，达到提升双对置发动机性能的效果。其中，第3种组喷孔布置方案下发动机指示功率可提高7.6%。      

航空燃油柱塞泵滑靴油膜的多目标优化设计

以锥形转子球面斜盘轴向燃油柱塞泵为研究对象,在分析滑靴油膜设计中的摩擦功率损失、泄漏功率损失、容积效率随滑靴的机械结构参数变化的基础上,基于遗传算法对上述多变量、多目标优化问题进行计算.权重系数法优化结果表明:优化后燃油柱塞泵设计点的摩擦功率损失和泄漏功率损失减少了7%左右,容积效率略微提升,并且优化得到的机械结构参数在不同转子转角和柱塞倾角的情况下也显示出性能上的优势,从而证明了多目标遗传算法对设计航空燃油柱塞泵油膜静压润滑是一种有效的方法.     

基于正交法和Kriging模型的液体火箭发动机液膜冷却优化

通过FLUENT对火箭发动机推力室中跨临界甲烷液膜冷却稳态流场进行数值传热计算。根据正交法设计试验,得到不同膜孔孔径、轴向夹角、径向夹角和孔型四个影响因素共同作用下的冷却效果,选出最优的膜孔几何参数组合.在采用最优膜孔几何参数组合的条件下,基于最优拉丁超立方抽样建立Kriging模型,利用遗传算法得到多目标条件下最优的跨临界液膜质量流量、冷却环带的分配比和位置。结果表明,正交法和Kriging模型可以解决液体火箭发动机液膜冷却优化高设计成本和数值噪声问题。正交试验设计考虑的因素中,影响冷却效率和不均匀度的最大的因素依次为孔型、孔径、径向夹角和轴向夹角。最优的几何参数组合为孔径0.003mm,轴向夹角45°,径向夹角15°,孔型为扩散型。建立的Kriging模型能准确反映液膜质量流量、液膜分配比和冷却环带位置与目标函数的关系。最终得到的优化方案平均冷却效率提高4.9%,不均匀度减少0.025,比冲损失增加0.37%,总目标函数提高184%。优化后涡对的不对称性使得冷却剂展向分布更加均匀,同时反向涡对衰减更快,增强了液膜的附壁性,从而提高冷却效果。     

发动机机匣弧面不规则管路的布局参数多目标优化设计

管路布局优化是降低发动机管路振动应力的重要手段,提出了一种发动机机匣弧面上不规则管路布局参数的多目标优化设计方法。从发动机机匣弧面的U形管路出发,建立了具有复杂布局走向的不规则单管路的参数化建模方法。分析了布局参数对管路的危险固有频率、多点激励响应的灵敏度。综合考虑错频和最大响应等多个目标,采用多目标遗传优化算法,对不规则管路的布局参数实施了优化设计。结果表明:管形布局优化设计效果显著,错开了两个危险固有频率禁带;管路结构在相同激励下最大位移幅值下降约35%,最大应力幅值下降近50%,为发动机管路的振动控制和动力学正向设计提供了参考。      

基于遗传-支持向量机的对置活塞二冲程柴油机气口高度优化

以某对置活塞二冲程柴油机为研究对象,基于一维仿真模型,利用遗传-支持向量机的方法,以油耗为优化目标,进行不同转速工况下进排气口高度组合的自动化寻优。结果表明:在1200r/min下,优化的进、排气口无量纲化高度组合为［0.075,0.105］,所得最小油耗为220.32g/(kW·h);对置活塞二冲程柴油机的气口最优高度应随着转速的提高逐渐增大;且在高转速(大于1600r/min)下,排气口最优高度增加趋势更加明显。      

提高二冲程煤油发动机抗爆性措施研究

为解决某二冲程航空活塞发动机采用航空煤油后爆震极限功率严重下降的问题，进行了一维发动机性能仿真分析，提出了提高发动机爆震极限功率的技术措施。在发动机额定工况下，油耗率和排气温度不发生恶化的前提下，添加抗爆添加剂、降低压缩比和推迟点火提前角以抑制采用煤油后的发动机爆震倾向,扩大缸径和降低空燃比以助于恢复发动机的爆震极限功率。结果表明:经过优化，发动机输出功率可达到原型机的96%，油耗率增加了19%，排气温度升高了57K。研究结果可为二冲程煤油发动机的性能优化和提高工作的可靠性提供依据。      

提高四冲程点燃式重油航空发动机抗爆性措施

应用GT-Power软件,对某四冲程点燃式航空活塞增压发动机进行使用不同燃料的一维性能仿真分析,针对低辛烷值燃料易发生爆震的特性,分别采用添加抗爆添加剂、调整发动机的压缩比、增压压力、空燃比、缸径、点火提前角等参数,在抑制爆震的前提下尽可能实现发动机功率恢复。将原93#汽油燃料换成辛烷值为61的特种煤油燃料后,在不扩大气缸直径和扩大气缸直径两种方案下,发动机功率恢复分别达到原型机的89%和95%,油耗率分别增加5.4%和6.1%,排气温度分别提高11.4%和13.4%。      

用于概念设计的离心泵叶轮多目标优化

用两种多目标优化方法对某型液体火箭发动机氧化剂泵叶轮进行多目标优化设计.在优化过程中, 以泵的扬程、效率和泵质量为优化目标, 对叶轮的主要几何参数进行优化.用NCGA(Neighborhood Culti-vation Genetic Algorithm)方法得到优化问题的Pareto前沿;用超传递近似法得到分目标的最佳权值, 进而采用评价函数法求出优化问题的最佳设计值.并分析了主要结构参数对泵性能参数的影响.      

基于Taguchi方法的转子系统动力学容差设计

提出了基于Taguchi方法的转子系统动力学容差设计理论.从结构的动力响应要求出发,以Taguchi方法为基础,对结构的制造及装配容差进行动力学容差设计,减小结构在制造过程的设计参数不确定和安装工艺不确定影响下其动力响应的波动.该设计过程为:①通过正交试验及方差分析完成参数设计,初步确定符合要求的参数设计值组合;②确定容差设计的初始设计值及初始设计范围,确定目标函数,形成多目标优化问题;③利用遗传算法对多目标优化问题进行解算,得到容差设计结果.对某型双转子航空发动机具有初始不平衡量轮盘的安装工艺进行了容差设计.设计表明:具有初始不平衡量的轮盘在装配时通过控制不平衡量的幅值及相位角差的搭配可有效降低支承振动响应,设计后支承最大振动响应合格率由17.7%提高至97%,验证了该设计理论的可行性.