多学科设计优化方法在飞机设计中的应用研究

多学科设计优化(MDO)方法是提高飞机设计效率,得到最优设计方案的有效手段。在飞机设计过程中,需要确保飞机静安定裕度满足使用要求,因此需要充分考虑总体、气动等学科专业的耦合效应。针对这一问题,基于MDO软件Modelcenter构建飞机外形多学科优化协同设计流程,通过对某型飞机外形优化设计的实例分析,得到该机的最优外形修改方案,证明了MDO方法在飞机设计中应用的高效性。     

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。     

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、...     

大型客机的多学科优化设计

飞机概念设计需平衡多学科间的矛盾,在多学科优化设计方法的气动学科中应用涡格法在Trefftz平面得到诱导阻力,采用工程估算方法得到摩阻、波阻和干扰阻力;重量学科将机翼简化为盒式结构来分析机翼蒙皮承受弯曲力矩所需要的厚度及重量,按常规设计方法,计算了起飞总重;还考虑航程、最大升力等性能学科的约束。优化方法采用遗传算法。以起飞总重为最小作为优化目标,建立了大型客机多学科优化概念设计框架和优化设计的软件。还以波音747飞机为算例进行了优化设计计算分析,验证了这一设计方法在飞机概念设计中的有效性。     

航空发动机涡轮叶片的多学科设计优化

叙及了多学科设计优化技术在航空发动机涡轮叶片设计中的应用研究,对涡轮叶片多学科设计优化方法进行设计的具体实施过程进行了介绍,讨论了结构、气动、传热、强度、振动和寿命以及优化算法等跨学科之间进行耦合优化设计的理论和方法。文末给出了一计算实例。     

飞机螺旋桨低噪声多学科优化设计与试验验证研究

为进一步降低飞机螺旋桨气动噪声,针对飞机螺旋桨开展综合考虑气动、噪声和结构强度的低噪声多学科优化设计与试验验证。采用基于涡格法的升力面理论进行螺旋桨气动性能计算,基于Hanson频域远场噪声计算方法进行螺旋桨远场噪声评估,2种计算方法都通过与试验对比验证精度,由此组成螺旋桨气动-噪声联合算法;以桨叶沿叶高分布的弦长、安装角和侧掠为设计变量,充分考虑桨叶结构强度对设计变量的约束,以螺旋桨推力、效率不降低和远场噪声降噪最大为优化目标;优化桨叶通过了离心载荷试验、气动载荷试验、动态特性试验等强度试验;在气动声学风洞内完成了气动与声学性能验证,优化螺旋桨相比原始桨气动性能基本保持不变,优化螺旋桨在设计工况的1阶离散分量处的远场气动噪声峰值降低2.7dB,较小推力下降噪量最高可达4dB,2阶离散分量处也有明显的降噪效果。提出的方法同时满足气动、噪声和结构强度要求。     

BLISS研究及其在飞机设计中的应用

研究了两级综合系统分析(BLISS)多学科设计优化方法的结构,通过精心设计的数学算例来测试其效率,并将其应用于某通用航空飞机的总体参数优化问题中,结果与不分解优化的结果非常接近,验证了BLISS方法在飞机多学科设计优化中的有效性。最后,对BLISS方法的收敛性和效率进行了总结和评价,并指出了其需要改进的地方。     

基于模块化产品平台的飞机族设计技术探讨

模块化产品平台是一种有效的开发产品族的策略。这种策略面向消费者多样化和个性化需求,同时能够缩短产品开发周期,降低生产成本,从而提高企业的竞争力。本文基于模块化产品平台的概念和方法,探讨了飞机族(系列)机体设计问题,包括飞机族构型设计和总体布置、飞机族气动外形设计优化、飞机族结构设计优化、飞机族多学科设计优化等问题。     

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.     

三维机翼气动结构多学科优化方法

采用Euler方程、连续伴随优化方法、自由形面变形技术（free-form deformation,FFD）以及一种四边形线性壳单元模型对三维机翼气动结构多学科优化方法开展了研究。目标函数为阻力系数和机翼翼盒结构质量的加权和,设计变量为FFD控制点以及10段蒙皮的厚度。气动方面升阻力系数对设计变量的梯度由伴随方法求得,结构方面翼盒质量对于蒙皮厚度的梯度可直接计算,应力的梯度采用有限差分方法获得。对跨声速大展弦比机翼进行气动结构多学科优化,并将该计算结果与机翼气动单学科优化设计后的静气弹计算结果进行对比,结果表明:该气动结构多学科优化方法能够在满足约束条件下,实现阻力系数和翼盒质量同时降低,保证优化结果的合理性。      

协作优化在无人机概念设计中的应用

多学科设计优化（MDO）是当前飞行器设计研究中一个最新、最活跃的领域，而协作优化是解决多学科设计优化问题的一种二级MDO算法。将协作优化应用到无人机的概念设计中，建立了包含气动、重量、性能和稳定性四个学科的无人机系统优化模型。与传统的设计方法相比，该方法为无人机在概念设计阶段提供了更加合理的飞行器外形，降低了初步设计和详细设计阶段对飞行器外形修改的可能性，从而缩短研制周期和降低成本。     

大型客机总体设计准则与概念创新

 从研制中国未来具有全球市场竞争力的大型客机为出发点，结合波音和空客下一代大型客机的研究思路以及美国和欧洲近年来围绕大型客机的若干重大研究计划，较深入地分析了在我国的大型客机的研制中实现安全性、经济性、舒适性和环保性总体设计思想的重要性和必要性。在此基础上，就如何建立大型客机综合考虑安全性/经济性/舒适性/环保性设计与评价准则体系，评价思路与方法进行了探索和研究，这对我国大型客机的研制具有借鉴意义。此外，依据详实的数据，分析了2种新概念布局方案，即“BWB-C”型翼布局方案和“大载重浮升式飞机”方案，与目前常规布局方案飞机优缺点，同时分析了应用多学科精细设计方法对于提高大型客机飞机经济性的效果。在此基础上，指出了概念创新和多学科优化精细设计方法大规模应用对于提高大型飞机安全性/经济性/舒适性/环保性的重要意义。     

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。     

联接翼气动／结构协同优化设计

联接翼是一种将前翼和后翼连接在一起的飞行器布局形式。针对联接翼气动／结构一体化的布局概念，通过结构有限元参数化建模、结构优化、试验设计和响应面模型技术，采用基于响应面的协同优化算法对其进行了气动与结构一体化设计，所获计算结果对大展弦比联接翼飞机构型初步设计具有参考价值。     

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%。     

MDO环境下的BWB气动模型及在概念设计中的应用

提出了MDO环境下分析亚音速BWB布局的气动模型建立途径，以升力面理论为基础，修正型阻、波阻与涡升力的影响，来分析非常规布局的气动特性，实现了比传统概念设计方法更高的分析精度和比CFD快得多的计算速度。通过与大展弦比平直机翼和小展弦比三角翼实验数据的对比，验证了分析模型的有效性；并将其应用于一个亚音速BWB布局的概念设计优化过程，实现了基本的气动／结构一体化设计。可靠的分析模型的建立将成为BWB布局飞机多学科设计优化的坚实基础。     

民用飞机客舱快速设计及自动化调整

 为提高总体设计的质量和效率，研究了民用飞机机身剖面构型及客舱的设计措施，并在一个开放式飞机总体设计环境中实现这一功能。定义了飞机机身类部件坐标系，提出了机身剖面构型、地板、装饰层、厨房、卫生间、衣帽间、应急出口、舱门、舱段隔板、座椅和行李架等的参数化描述和模型构建方法，设计了客舱参数化描述数据结构、剖面构型与客舱布置的数据对应关系及客舱设计逻辑，建立了交互式机身剖面构型和客舱二、三维快速设计环境。在此基础上，实现了客舱模型的自动化调整，为总体设计阶段进行多学科设计优化奠定了基础。最后，给出若干设计实例说明了该方法的有效性。     

飞机/发动机一体化评估系统研究

 本课题研究了一种快速的飞机/发动机一体化评估方法和软件,其主要特点是根据飞机飞行任务要求,同时对飞机/发动机系统的主要设计变量(如飞机起飞推重比、翼载、机翼几何参数和发动机循环参数等)进行有约束多目标优选,求得最佳方案。优选的目标函数和约束条件由飞机战术技术要求和飞行任务确定。 应用此评估系统,曾对某型歼击机进行改型方案论证。计算结果表明:优选后的飞机性能有明显改善;飞行任务要求不同,最佳方案飞机的推重比、翼载、机翼外形和发动机循环参数也不同。使用本系统方便和快速,每计算一个方案在IBM4341计算机上,所需CPU时间在1min以内。本评估系统适用于战斗飞机/发动机的设计和改型,经扩充后也可推广到民用飞机/发动机的方案论证工作。