ARI_OPT气动优化软件研究进展及应用综述

针对飞行器气动外形精细化设计需求,为提高设计效率和设计质量,基于数值优化设计技术发展了气动优化设计工具ARI_OPT。ARI_OPT包含气动外形参数化、网格自动变形、高逼真度数值模拟、代理模型、高效优化算法等模块,分别简要介绍了各个模块基本的基本原理和方法及单个模块的验证结果。给出了ARI_OPT针对数值函数算例的功能验证结果和宽速域翼型、多段翼型和飞翼布局机翼等典型单目标和多目标气动外形优化问题的应用算例,表明了其可靠性和适用性。     

一种改进的果蝇优化算法及其在气动优化设计中的应用

果蝇优化算法(FOA)是一种新的群体智能优化算法,具有良好的全局收敛特性。为进一步提高FOA的寻优性能,将其引入到气动优化设计中,发展形成了改进的果蝇优化算法(IFOA)。IFOA通过引入惯性权重函数动态调整搜索步长,有效实现了算法全局搜索和局部搜索之间的动态平衡,提高了算法整体搜索效率和寻优精度;对于多维优化问题,IFOA每次搜索仅随机扰动其中一个决策变量,并在每个迭代步内将所有优秀果蝇个体(可行解)结合产生一个全新的果蝇个体进行一次搜索,大大加快了算法的收敛速度。函数测试结果表明,IFOA显著提高了FOA的寻优性能。将IFOA应用到气动优化设计中,翼型反设计和单/多目标优化设计的算例表明,IFOA是一种简单高效的优化方法,可广泛应用于气动优化设计。     

一种新的蚁群算法及其在飞行器设计中的应用

尝试将蚁群算法引入飞行器优化设计领域,为此建立了适用于高维、多目标、多约束优化问题的连续空间蚁群算法,并以高超声速飞行器气动布局的多目标优化设计为例进行了验证.优化设计结果与采用遗传算法得到的优化结果进行了对比,指出了蚁群算法的优点.该研究可为蚁群算法应用于复杂、高维的大规模飞行器设计问题提供参考.      

混合遗传算法及其在翼型气动多目标优化设计中的应用

把基于实数编码的自适应遗传算法（SAGA）与可变容差法相结合，建立了数值优化设计中的混合遗传算法（HGA），并将其与翼型的气动分析相结合进行跨声速翼型的单目标和多目标气动优化设计。与自适应遗传算法相比，混合遗传算法的优化质量略有改善，优化效率有明显的提高。优化结果表明混合遗传算法在翼型单目标和多目标气动优化设计中是十分有效的。     

基于代理模型的大型民机机翼气动优化设计

先进的气动优化设计思想与方法，对于提升大型民机气动与综合性能具有至关重要的意义。探讨了大型民机超临界机翼气动优化设计的基本准则和要点，并结合代理优化算法，提出了一种面向工程应用的多轮次高效全局气动优化设计方法。首先，通过一系列解析函数/翼型/机翼优化测试算例进行了验证。其次，将所提出的方法与人工修型相结合，开展了针对宽体客机超临界机翼的两轮气动优化设计，使其气动性能得到显著改善。最后，采用不同的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程求解器对安装优化机翼的全机巡航构型进行了典型状态的气动性能综合评估。研究结果表明，所提出的代理优化算法具有很高的优化效率、较强的约束处理和全局优化能力；将所发展的基于代理模型的多轮次气动优化设计方法与人工修型相结合，能够获得满足设计要求的气动外形，验证了该方法在大型民机超临界机翼气动设计中的有效性和工程实用性。     

Pareto遗传算法在气动外形优化中的应用

Pareto方法作为一种多目标优化方法,能够一次性获得优化问题对应的不同权重分配情况下的所有最优解集。它与遗传算法结合产生的Pareto遗传算法,是求解多目标优化问题的Pareto最优解集合的一种有效手段。本文将两种常用的Pareto遗传算法,MOGA方法和两支联赛遗传算法应用到气动外形优化中,针对具体算例进行气动外形的优化设计,得到了满意的优化设计结果。     

基于模糊理论的跳跃轨迹多目标优化设计

针对探月返回跳跃轨迹的多目标优化设计问题,提出了一种基于模糊理论的优化设计方法,并对非线性隶属度函数对优化结果的影响进行了研究.首先,将连续的无限维优化问题进行离散化,转化为非线性规划问题;其次,用隶属度函数将各个子目标进行模糊化,将多目标优化问题转化为求模糊判决隶属度函数的最大值问题;最后,求解经过模糊化的非线性规划问题.分析了探月返回跳跃轨迹的特性,表明模糊多目标优化更能体现决策者的偏好.构造了具有不同凹凸性、不同形状的非线性隶属度函数,比较了它们对优化结果的影响,结果表明隶属度函数影响多目标模糊优化结果的首要因素是隶属度函数的凹凸性.     

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.     

离散伴随方法在气动优化设计中的应用

针对工程问题中大规模设计变量难以进行快速优化的难题,在自研流场解算器(WiseCFD-UG)基础之上,发展了基于离散伴随方法的梯度计算模块,实现了目标函数对大规模设计变量的快速精确梯度求解.此外,结合FFD参数化、线弹性体网格变形,优化算法等模块建立了气动优化设计系统.运用系统对M6机翼和CRM翼身组合体构型进行定升减阻优化设计,结果表明:机翼表面的压力分布得到了显著改善,表面激波得到不同程度的消除或减弱.气动优化设计系统有效可靠,具有一定的工程应用价值.     

基于控制理论的旋翼翼型优化设计

基于粘性Navier-Stokes方程和最优控制理论原理,研究了气动/几何约束条件下多设计变量的旋翼翼型气动优化设计问题。根据给定目标函数的表达形式,在计算坐标系下推导出了相应的伴随方程和边界条件,以及梯度方程的数学表达式,并对流动控制方程和伴随方程进行了有效数值求解。综合流动方程、伴随方程、目标函数敏感性导数和优化算法,发展了一种高效旋翼翼型气动优化方法。通过典型旋翼翼型的算例验证,表明方法的有效性。     

通用飞行器气动优化设计数字化集成平台——DIPasda

未来航空工业的发展，需要解决多学科综合设计的关键问题，为新型高性能飞行器的设计提供有力的设计方法和设计工具。DIPasda作为复杂外形设计的通用飞行器多学科优化设计平台，研制目的主要是提供一套新型通用、鲁棒、高效的优化设计架构，应用于通用飞行器工业设计环境，改善传统设计耗时低效的状况，提高新型飞行器设计的效率和精度。DIPasda平台系统包含了优化设计过程中所需用到的各类方法，主要包括数值优化算法、几何模型参数化方法、代理模型方法、高精度的学科分析工具等。通过详细介绍平台的系统架构、主要的功能模块、伴随优化设计和多目标优化设计流程，展现了DIPasda平台系统架构设计的灵活性和功能模块的完备性。最后通过优化算例展示了系统的综合优化设计能力。     

Integrated optimization on aerodynamics-structure coupling and flight stability of a large airplane in preliminary design

The preliminary phase is significant during the whole design process of a large airplane because of its enormous potential in enhancing the overall performance. However, classical sequential designs can hardly adapt to modern airplanes, due to their repeated iterations, long periods, and massive computational burdens. Multidisciplinary analysis and optimization demonstrates the capability to tackle such complex design issues. In this paper, an integrated optimization method for the preliminary design of a large airplane is proposed, accounting for aerodynamics, structure, and stability. Aeroelastic responses are computed by a rapid three-dimensional flight load analysis method combining the high-order panel method and the structural elasticity correction. The flow field is determined by the viscous/inviscid iteration method, and the cruise stability is evaluated by the linear small-disturbance theory. Parametric optimization is carried out using genetic algorithm to seek the minimal weight of a simplified plate-beam wing structure in the cruise trim condition subject to aeroelastic, aerodynamic, and stability constraints, and the optimal wing geometry shape, front/rear spar positions, and structural sizes are obtained simultaneously. To reduce the computational burden of the static aeroelasticity analysis in the optimization process, the Kriging method is employed to predict aerodynamic influence coefficient matrices of different aerodynamic shapes. The multidisciplinary analyses guarantee computational accuracy and efficiency, and the integrated optimization considers the coupling effect sufficiently between different disciplines to improve the overall performance, avoiding the limitations of sequential approaches utilized currently.     

Optimization and analysis of winglet configuration for solar aircraft

Installing winglets can notably improve the aerodynamic performance of solar aircraft. This paper proposes a multi-constraints optimization method of winglets for solar aircraft, aiming to enhance the corresponding uninterrupted cruising capability. An optimization objective function is formed and is separately studied in aerodynamic and structural terms. Qualitative analysis shows that the winglet design parameters are restricted by four special constraints (geometry, aerodynamics, energy and stability) of solar aircraft. The optimization process is constructed on the basis of a multi-island genetic algorithm, and carried out for a 15 m wingspan solar aircraft. Although the designed winglet is not as good as the traditional winglet in terms of drag and structural weight, the designed winglet provides a better 24 h cruising capability. The sensitivity between the objective function and the design parameters is investigated, and the winglet effects vary with respect to the wing aspect ratio (AR = 10, 15, 19.6). The effect of the constraints is analysed quantitatively, and some basic laws are obtained. Moreover, the feasible design region and the possible optimal design parameters of winglets for different wing configurations are explored. The calculation results show that when the aspect ratio exceeds a certain value, the winglets will not benefit the aircraft.     

基于灵敏度分析的飞行器稳健设计优化方法

提出了一种基于灵敏度分析的稳健设计优化方法。针对设计变量存在扰动的不确定性问题,在原有优化数学模型上,增加了准则函数和约束函数的灵敏度附加项。采用全局灵敏度方程来计算准则函数及约束函数对设计变量的灵敏度,进而得出新的优化问题数学模型,得到问题的稳健性解。将上述方法应用到轻型飞机的总体设计中,对飞机重量、气动和性能模块进行多目标优化,得出最优解,并与已有的飞机进行对比和分析。     

应用博奕理论的多目标分布式气动优化设计

应用博奕理论研究了最优气动外形优化设计方法。采用的基本的优化器为基于控制理论的约束优化设计方法,通过引入标量伴随变量来执行约束条件,进而将上面的方法和对策论结合起来处理多目标翼型优化设计问题,根据各种不同的气动标准(可以是互为冲突的)来优化翼型形状。在对称Nash策略中,每一个“player”都力图优化自己的目标,而Nash平衡则提供了多个目标之间的一种解。不同的翼型分裂和设计算例表明了本文虚拟和真实Nash竞争策略在多目标翼型优化设计中的能力。成功的设计结果表明了本文方法的有效性。     

分布式进化算法及其在翼型气动反设计中的应用

构造了一种新型基于基因算法与博弈论的并行分级多目标优化方法，并应用于多段翼型气动反设计。此方法基于二进制编码的基因算法和博弈论，优化变量被分配给不同的博弈者，因而总体优化问题转变为分裂空间中的局部优化问题。文中给出了一个多段翼型形状，位置可压位流的反设计问题的求解算例，引入了基于非结构网格的分级结构。与传统基因算法数值算例的对比表明了本文构造的并行分级算法具有较高的计算效率，可广泛应用于多目标优化问题。     

多段翼型气动力优化设计的多标准高效进化算法

本文分别结合基因算法与博弈论中的竞争型Nash对策及分级型Stackelberg对策构造了多标准高效进化算法,并对二维三段翼型成功地进行了多标准位置增升优化。基因算法在合适地选择了基因操作算子后可以得到全局最优解,博弈论的引入使得传统基因算法具备了无人工干预的多标准优化算法,并且这一优化过程接近于实际翼型工程气动力设计情况。应用本文的方法成功地对三段翼型进行了不同气动条件下的缝翼与襟翼的位置组合优化,最后给出了优化算例,并对两种算法进行了对比。     

翼身融合布局客机总体参数分析与优化

在翼身融合布局客机总体设计阶段，为评估设计方案的总体性能，建立了翼身融合布局客机总体参数综合分析与优化平台，该平台以翼身融合布局客机的几何参数为输入，完成动力、几何、重量、气动、性能和经济性等模块分析，并以此为基础建立优化设计模型。为快速评估设计方案的性能及优化设计效果，动力分析模块采用了部件级分析模型，重量分析模块采用半经验估算方法，气动分析模块采用面元法结合工程估算方法，性能分析模块采用简化运动学方法，优化模型采用可并行计算的子集模拟优化算法。以某555座级翼身融合布局客机方案为例，应用开发的分析与优化平台，完成了总体参数分析，结果表明分析模型合理。在此方案的基础上，以客机的外形参数和发动机海平面最大推力为设计变量，分别建立了以最大起飞重量最小为目标的单目标优化，以及同时以直接使用成本和进场速度最小为目标的多目标优化，单目标优化结果最大起飞重量降低了约7.17%，多目标优化结果表明直接使用成本降低8.77%的同时进场速度会增加3.32%。     

涡轮榫接结构多层次设计优化方法

针对航空发动机涡轮榫接结构设计优化,根据不同的阶段和要求开展3个层次的优化:二维模型榫接结构基本参数优化、三维带盘模型榫接结构优化以及叶盘结构的气动-结构强度多学科优化.3个层次的优化是迭代进行的,第1层次构建基本的结构参数,第2层次建立在第1层次优化结果之上,同时考虑与轮盘相互影响的重要参数.在第2层次不能达到最优或不满足要求的前提下,开展第3层次的叶盘结构多学科优化研究,通过调整流道等气动参数,达到气动和结构强度两个学科相对最优.结果表明经过优化第1阶段榫接结构最大径向应力降低12.7%,第2阶段轮盘减质量6.9%,第3阶段气动和强度的综合优化效果提升2.4%,得到满足设计要求的榫接结构.      

高超声速巡航飞行器气动布局优化软件设计

从总体性能指标角度出发,采用面向对象的编程方法,基于Visual C 开发了高超声速巡航飞行器气动布局优化软件。整个优化软件分为参数化建模模块、面元生成模块、性能指标计算模块、优化算法模块。各模块之间相对独立,通过函数接口实现互联,具有非常好的可维护性、可重用性和可扩展性。该软件实现了对高超声速巡航飞行器的气动力、气动热、隐身性能、操稳性能等总体性能指标进行气动布局多目标的优化,能够满足高超声速巡航飞行器概念研究和初步设计要求。