多学科优化设计在航空航天领域的应用及发展

多学科优化设计是世界各国工业设计界新兴的研究领域。文章对多学科优化设计的主要基本理论、应用研究及发展进行了综述分析。优化算法是多学科优化设计的重要内容，文章对此进行了介绍，并对多学科优化设计中涉及的软件开发及集成设计框架、软件结构管理的研究成果及研究动态进行了分析。总结并对比分析了多学科优化设计在航空航天领域的几个典型应用及其特点，并将多学科优化设计与计算机集成制造系统的研究与发展的关系进行评述。     

我国GEO航天器总体综合优化技术研究进展

总体综合优化设计是航天器研制持续追求的目标,多学科集成设计是有效途径之一。围绕航天器总体综合优化设计,总结了近年来我国在地球静止轨道(GEO)航天器系统与学科建模、多学科集成优化设计策略、寻优算法、软件工具开发及工程应用实施等方面研究进展,针对我国GEO航天器发展新需求以及现阶段综合优化设计技术发展的不足,结合系统工程技术发展新趋势,指出航天器综合优化设计后续应重点加强集成建模、工程化应用研究,为高轨航天器总体优化设计技术发展提供指导。     

多学科设计集成环境的模式和应用

进行复杂工程系统的多学科问题设计时，构建理想的设计环境非常必要。从支持分析代码重用、方便集成复杂的设计问题、支持并行计算过程和设计过程监控等角度着手，开发了多学科设计优化集成环境-MDOF。通过运载火箭多学科优化设计实例分析，验证了MDOF集成复杂设计问题可行性。     

计算机集成技术初探

该文对计算机集成设计技术进行了初步的探索。分析了集成技术发展的必然性，研究了计算机集成设计技术的现状，结合目前国际上比较通用的集成平台／集成框架软件在国外相关领域的应用情况，对我国的航天器研究设计提出了建议。     

空间相机协同设计和集成分析技术研究

空间相机的研制通常涵盖光、机、结构、热等多学科问题,各学科间相互影响,但在传统研制模式下却又交互困难。文章以某空间相机为例,对协同设计和光-机-热集成分析的环境和过程进行了介绍。结果表明,协同设计和集成分析能够实现不同学科间设计与分析数据的直接交互,为空间相机方案的跨学科快速设计,以及设计性能的高质量评价提供了可能;协同设计和集成分析技术能够快速、有效地开展空间相机的多学科集成设计和仿真,是实现空间相机领域仿真驱动工程的有效途径。     

协同优化在固体弹道导弹概念设计中的初步应用

讨论了标准协同优化方法的流程和特点,并针对固体弹道导弹系统的特点,设计了集成质量、动力、气动、外形和弹道5个学科的弹道导弹多学科设计优化模型.采用协同优化方法集成各学科的知识,协调处理各学科之间的耦合变量,应用合理的优化策略有效地解决了在弹道导弹多学科优化设计中的耦合关系所带来的计算问题,并对该模型成功进行了多学科优化设计,得到了优化方案.研究不但证明了协同优化方法在固体弹道导弹多学科优化设计中的有效性,还表明协同优化方法可使各子学科专注于本学科的优化设计,并使用本学科已有的分析工具,无需考虑对其他学科的影响,这方面相对于其他高要求的MDO方法具有较明显优势.     

基于XML的产品主模型技术研究

多学科设计优化方法是近年来发展的一种设计复杂系统的新方法。它充分考虑各个学科之间的相互影响和耦合作用,以获得系统的整体最优解。产品主模型技术是多学科设计优化的关键技术之一,能较好地解决应用模型之间的数据交换和通信。文章介绍了产品主模型的概念及其特点,对产品主模型技术及其实施过程进行了深入研究。回顾了可扩展标记语言的产生和发展历史,并对其特性进行了较详细介绍;研究了基于可扩展标记语言技术实现系统集成的技术路线;最后,提出了基于可扩展标记语言技术和产品主模型技术的卫星总体方案多学科设计优化集成框架。     

机械臂转位舱段过程的多学科集成仿真

基于高层体系结构(HLA)及Modelica建模语言构建的系统集成仿真平台,通过构建和集成与机械臂转位舱段过程相关的舱体动力学、机械臂、轨道、姿态控制、总体电路等功能模型,建立了机械臂转位舱段集成仿真模型,开展了机械臂转位舱段过程多学科集成仿真,建立并验证了基于功能模型的多学科集成仿真工作流程,提出并实践了基于功能模型的总体-分系统多学科集成仿真工作模式。仿真结果表明:文章提出的工作流程和工作模式合理有效,集成仿真方案可行,研究成果可以为航天器研制数字化提供参考。     

面向飞行器总体设计的UMDO技术综述

针对当前飞行器设计领域对总体设计过程中不确定性因素的精细化管理需求，对不确定性多学科设计优化（Uncertainty-based Multidisciplinary Design Optimization，UMDO）的研究现状和应用模式进行了综述和展望。首先综述UMDO的国内外发展现状，讨论开展UMDO研究和应用的必要性和紧迫性；从不确定性源建模、不确定性灵敏度分析、多学科不确定性分析、鲁棒性多学科优化设计4个方面梳理UMDO技术的发展体系，分析UMDO工程应用的研究现状，围绕飞行器总体设计过程提出适应各阶段设计需求的现代飞行器UMDO应用模式；最后，针对飞行器总体精细化设计能力的提升需求，分析了目前UMDO在工程应用过程中存在的问题，并探讨了UMDO的未来发展设想。     

智能优化算法及其在飞行器优化设计领域的应用综述

在对国内外相关文献进行系统研究的 基础上,阐述了飞行器优化设计领域应用较为广泛的几种智能优化算法的基本原理,分析了 算法的优缺点和改进方法,总结了算法在飞行器轨迹、气动和控制等学科优化设计中的应用 情况。同时,文章对在飞行器优化设计领域应用刚刚起步,但较有发展前景的智能优化算法的 特点和应用情况进行了概述。最后,对智能优化算法在飞行器优化设计领域应用的未来研究 方向进行了分析。
     

卫星总体参数多学科优化与建模探讨

卫星总体参数优化是一个典型的多学科优化问题。文章针对卫星总体参数优化建模及其他相关问题进行了探讨,阐述了卫星总体参数优化的过程;以对地观察卫星为对象,给出了多学科优化模型,包括优化目标、约束条件和设计变量。     

使用解析目标分流策略的海洋卫星多学科优化

在海洋卫星总体设计阶段,为了提高卫星整体设计性能和效率,采用多学科设计优化（MDO）技术对其总体参数进行设计优化。考虑轨道、有效载荷、结构和电源四个学科的设计变量和约束条件,以卫星总质量最小为优化目标建立海洋卫星MDO模型;针对各学科优化问题属性设计高效的优化方案并采用解析目标分流（ATC）这一多级MDO策略来协调整个优化过程。优化后海洋卫星总质量相对海洋一号（HY-1）卫星下降17.6%,整个优化过程花费的时间也比采用单级All at once(AAO)策略减少85.7%。一方面表明所建立的海洋卫星MDO模型的合理有效性,另一方面表明ATC策略结合学科定制优化方案的求解技术的有效性。     

飞行器固体火箭助推器设计优化方法比较

综合考虑飞行器总体设计约束、轨道设计、气动特性与固体火箭助推器设计间相互影响的情况下,建立了飞行器固体火箭助推器总体/气动/轨道/动力多学科的系统分析模型和设计优化模型。采用传统设计优化方法和多学科设计优化(MDO)方法进行了固体火箭助推器设计优化。结果表明,固体推进单学科的最优设计不等价于飞行器总体多学科的最优设计;与传统设计优化方法相比,MDO方法一次设计优化就可得到满足飞行器总体设计指标的最优设计,得到内外弹道相匹配的助推器最优推力-时间曲线。传统设计优化方法需要飞行器总体和固体推进学科两个设计优化过程不断迭代协调,容易漏掉满足飞行器总体设计指标的最优设计。采用MDO方法,可提高固体火箭助推器的设计质量,大大减少设计迭代次数,从而缩短设计周期。     

基于MDO方法的月球探测卫星总体设计

根据月球探测卫星任务及环境的特点,在将多学科设计优化(MDO)方法用于卫星总体概念阶段的设计。分析了卫星总体设计中轨道设计、卫星设计和发射选择间的耦合关系与协同效应,建立了MDO的简化模型。用单级整体优化策略(AAO)和多岛遗传算法(MIGA)进行优化。算例结果表明,MDO简化模型可有效解决卫星概念设计阶段中的多学科耦合。     

考虑高耗时约束的全电推进卫星多学科优化

为提高卫星系统整体性能与优化设计效率，本文采用多学科设计优化（MDO）方法进行全电推进卫星总体参数优化。主要考虑轨道转移、位置保持、空间环境、供配电、结构及质量六个学科，以整星质量最小为优化目标，考虑轨道转移时间等约束条件，建立了全电推进卫星MDO模型。提出一种基于增广拉格朗日乘子法的高效全局优化方法（ALM-EGO）以快速求解卫星MDO问题。标准数值算例对比研究表明，对于处理高耗时约束优化问题，ALM-EGO方法在全局收敛性与优化效率方面具有一定的优势。最后，采用ALM-EGO求解全电推进卫星MDO问题，优化后的全电推进卫星设计方案满足各类工程设计约束，实现整星减重161.09 kg，从而验证了本文所建立模型的合理性和ALM-EGO方法的有效性。     

飞行器多学科设计优化概述

针对飞行器多学科设计优化进行了概述。提出多学科设计优化的综合性定义，介绍了国内外发展现状。指明多学科设计优化的组成要素和存在学科耦合、计算耗时两个难点，并认为其关键问题是离散设计变量和非数值型综合设计变量处理、工程综合评估、数据流管理等。阐述了可用于多学科设计优化的各种方法及其优缺点。并提出了多学科设计优化的研究重点。     

航天器多学科设计优化技术综述

强调了应用多学科设计优化(MDO)技术进行航天器设计的必要性,分析了航天器MDO设计的内容,通过对各大宇航公司MDO应用的分析,论述了航天器MDO设计现状;在分析MDO框架的功能后,对几种流行的框架作了介绍;最后探讨了航天器MDO应用技术的发展方向。     

飞行器多学科设计优化的三种基本类型及协同设计方法

运用多学科设计优化方法,根据飞行器设计中遇到的实际情况,提出三类基本的飞行器多学科设计优化问题:耦合、信息单向传递、独立。一般的飞行器设计问题可以视为提出的这三种基本类型的组合。以设计实例对这三类问题的数学模型及解决方案进行了深入分析。介绍了协同优化方法的设计思想,并提出了应用协同优化方法解决上述三类问题中最复杂的耦合问题的具体计算结构。应用该计算结构,可以避免求解耦合方程组并实现各学科并行设计,提高了计算效率。