基于区间不确定性的涡轮盘强度可靠性优化设计

针对涡轮盘在初期设计过程中可利用试验数据少的问题,采用区间模型描述不确定性,以非概率可靠性模型描述可靠性,提出了基于区间不确定性的涡轮盘强度可靠性优化设计方法.同时,为了提高该方法的计算效率,提出两级分阶段构造法,建立非概率可靠性指标关于设计变量的响应面函数,并以此响应面函数表征可靠性约束,从而将可靠性优化设计的双重优化过程转化为单重优化过程,简化了算法结构.典型涡轮盘强度可靠性优化设计算例结果表明,所提方法降低了对试验数据量的需求,且计算成本较低,计算效果较好,能够较好适用于涡轮盘的初期设计.     

响应面拟合法在机翼结构优化中的应用研究

在飞机结构优化设计中,针对循环利用有限元软件寻优耗时大、收敛比较慢的状况,本文采用了一种基于响应面多项式拟合方法对机翼结构进行优化。以某平直机翼为例,该方法从建立机翼结构的有限元模型出发,结合正交试验设计方法,经过对比,采用比较新颖的最大差值极小化法,建立机翼的二次响应面近似模型;在此基础上,以整个机翼结构质量最小化为目标,最大位移和最大应力为约束,把机翼划分为多个区域,选取各区域蒙皮厚度和全部肋腹板厚度为设计参数,建立数学优化模型,用ISIGHT集成MATLAB的方法,采用序列二次规划法进行优化。优化的结果表明,采用该方法对该平直机翼进行优化,在满足机翼刚度和强度的情况下,能有效降低机翼质量,并且避免了多次重复调用有限元软件进行计算,迭代次数仅为34次,优化效率明显提高。     

基于响应面法的涡轮盘低循环疲劳可靠性分析方法

针对低循环疲劳破坏模式,结合低循环疲劳寿命分析方法与线性损伤准则,提出了基于响应面法的结构可靠性分析方法。将材料属性、载荷以及材料的低循环疲劳性能参数作为随机因素,采用响应面法进行了可靠性分析;以之对某型航空发动机涡轮盘进行低循环疲劳可靠性分析,并将其与蒙特卡罗法进行了比较。结果表明,该方法计算速度较快,精度较高,对研究实际涡轮盘低循环疲劳的可靠性具有较好的实用性。     

基于响应面的系统性能可靠性优化设计方法

提出了建立基于Logistic变换的性能可靠度与关键设计参数(DDP)之间函数关系的响应面方法以及性能可靠性优化设计模型。通过试验设计、一体化仿真、Logistic变换、多项式拟合、方差分析和模型检验等步骤,来构建系统性能可靠性响应面模型。并以性能可靠度为目标,性能设计参数可行域为约束进行设计优化。针对舵机案例,以性能模型和干扰模型为基础,通过仿真及回归分析,建立了性能可靠度与关键设计参数（Ce,Kp,J）的响应面模型。建立了舵机性能可靠性设计优化模型,对关键设计参数进行了优化。     

基于响应面法的可靠性稳健设计优化

针对极限状态函数和结构性能函数为隐式的结构可靠性稳健设计优化问题,将结构性能稳健性、可靠性灵敏度稳健性与6σ稳健设计思想相结合,建立了一种基于响应面法的可靠性稳健设计优化模型并给出了具体算法.采用多项式拟合结构性能函数和极限状态函数,推导了基于响应面函数的1阶可靠度指标以及性能函数均值和均方差的计算方程;将结构可靠度作为基本约束条件,采用序列二次规划法得到稳健设计优化结果.运用该方法对某涡轮叶片型线进行设计优化,经过优化后,静、动叶的动能效率均值分别提高1.5%和6.4%,动叶片最大应力均值下降7.9%,动叶叶身最大变形均值下降5.6%,动叶片结构强度可靠度由初始的91.3%提高到了99.9%.      

基于近似技术的高亚声速运输机机翼气动/结构优化设计

探索基于近似技术的高亚声速运输机机翼气动/结构多学科设计优化方法,建立了基于近似技术的多学科设计优化框架。气动学科采用全速势方程加黏性修正进行翼身组合体跨声速流动的气动计算,结构学科采用有限元分析方法进行应力与变形计算。采用均匀设计法给出若干样本点,分别采用二次响应面、Kriging模型和径向基神经网络等多种近似技术,构造气动学科和结构学科的近似分析模型,并对几种近似模型精度进行了分析和比较。研究发现,Kriging模型和二次响应面具有几乎等同的较高的近似精度,神经网络的近似精度则较差,由于二次响应面计算量更小,故最终选定为机翼设计优化的近似方法。以升阻比和结构重量为目标,考虑升力、机翼面积以及应力和应变约束条件,对运输机机翼4个外形参数和4个结构参数进行多目标、多约束优化设计。优化后的机翼具有较好的气动/结构综合性能,表明本文方法是可行的。     

涡轮盘持久及低周疲劳寿命可靠性评估

为评估涡轮盘持久及低周疲劳寿命可靠性,考虑涡轮盘材料及载荷的分散性,采用响应面法与蒙特卡洛法相结合的方法,建立涡轮盘持久寿命可靠性分析模型。对给定中间以上状态工作时间400 h的涡轮盘进行持久寿命可靠度计算,并考察应力松弛效应对涡轮盘持久寿命的影响。在持久寿命可靠性分析的基础上,根据Miner线性累积损伤理论,对考虑蠕变损伤的涡轮盘低周疲劳寿命进行可靠性评估。结果表明,该涡轮盘满足400 h持久寿命、寿命安全系数1.5,及1 500周低周疲劳寿命、寿命安全系数2.0的使用要求。     

涡轮转子径向变形多目标协同稳健性优化

考虑到涡轮转子径向变形对涡轮叶尖径向间隙以及篦齿径向封严间隙的影响,提出涡轮转子径向变形多目标协同稳健性优化方法。利用基于Kriging模型的分布式协同响应面法(DCRSM)分别建立涡轮转子和涡轮篦齿的参数与径向变形间的响应面模型,并求解单目标下的稳健最优解。采用理想点法建立涡轮转子和篦齿径向变形多目标协同稳健性优化模型,并进行多目标协同稳健性优化求解。优化结果显示:提出的多目标协同稳健性优化方法与单目标稳健性优化方法相比涡轮转子和篦齿径向变形量的标准差分别降低了2.6%和4.9%。提出的方法为涡轮转子参数设定提供一定的参考。      

涡轮盘低循环疲劳寿命可靠性研究

通过对某型航空发动机高压涡轮盘的弹塑性有限元分析,确定危险区域,利用Masson-Coffin公式及Miner线性累积损伤理论计算了涡轮盘在主循环和次循环同时作用时的低循环疲劳寿命。在确定性寿命计算的基础上,考虑参数的随机性,进一步对涡轮盘低循环疲劳寿命进行可靠性研究。利用响应面法和Monte Carlo法相结合的方法计算高压涡轮盘低循环疲劳寿命的随机响应,并对随机因素进行灵敏度分析,得到影响涡轮盘寿命的主要因素。     

涡轮盘结构可靠性与稳健性综合优化设计

初步建立1种综合考虑结构疲劳可靠性与稳健性的航空发动机涡轮盘优化设计方法。根据涡轮盘的结构设计准则,以轮盘的轻质化和低循环疲劳寿命的稳健性作为目标,以结构强度和疲劳可靠性作为约束,采用随机优化方法对轮盘进行优化设计。设计结果表明:由于量化考虑了轮盘的安全性,所以能够得到更精确的约束,从而使轮盘设计质量更轻;而针对稳健性的优化,则降低了低循环疲劳寿命对载荷和材料参数波动的敏感性,提高了涡轮盘的稳健性。     

不完全概率信息的压杆稳定可靠性鲁棒设计

将可靠性设计理论和鲁棒设计方法相结合, 讨论了不完全概率信息的压杆稳定可靠性鲁棒设计问题, 提出了稳定可靠性鲁棒设计的计算方法.把可靠性灵敏度溶入可靠性优化设计模型之中, 将稳定可靠性鲁棒设计归结为满足可靠性要求的多目标优化问题.在基本随机参数的前四阶矩已知的情况下, 通过计算机程序可以实现不完全概率信息的压杆稳定可靠性鲁棒设计, 迅速准确地得到不完全概率信息的压杆稳定可靠性鲁棒设计信息.      

基于截尾概率-非概率混合模型的可靠性优化算法

针对工程中截尾概率变量与非概率变量同时存在的情况,给出一种新的截尾概率与非概率混合可靠性模型。在该混合可靠性模型基础上,按照可靠性指标(RIA)法给出双层嵌套可靠性优化模型,并采用改进搜索策略后的ST-Powell优化算法在外层搜索设计变量的最优值,内层采用能保证收敛的改进的有限步长迭代法求解混合可靠性指标。数值算例表明,改进搜索策略后的ST-Powell优化算法的全局寻优性得到显著提升;改进搜索策略后的ST-Powell优化算法与改进的有限步长迭代法相结合求解双层嵌套混合可靠性优化模型的正确性得到验证,且对于非线性程度较高的极限状态函数同样能够得到满足截尾概率与非概率混合可靠性模型指标要求的最优解,并对工程结构算例具有很好的适应性。     

Design and optimization of solid rocket motor Finocyl grain using simulated annealing

The research effort outlined the application of a computer aided design(CAD)-centric technique to the design and optimization of solid rocket motor Finocyl(fin in cylinder) grain using simulated annealing.The proper method for constructing the grain configuration model,ballistic performance and optimizer integration for analysis was presented.Finocyl is a complex grain configuration,requiring thirteen variables to define the geometry.The large number of variables not only complicates the geometrical construction but also optimization process.CAD representation encapsulates all of the geometric entities pertinent to the grain design in a parametric way,allowing manipulation of grain entity(web),performing regression and automating geometrical data calculations.Robustness to avoid local minima and efficient capacity to explore design space makes simulated annealing an attractive choice as optimizer.It is demonstrated with a constrained optimization of Finocyl grain geometry for homogeneous,isotropic propellant,uniform regression,and a quasi-steady,bulk mode internal ballistics model that maximizes average thrust for required deviations from neutrality.     

基于模拟退火算法与响应面模型的三维气动优化设计方法

提出了一套适用于高耗时三维气动设计问题的优化设计体系.其主要思想是采用改进拉丁超立方体试验设计选取样本点,应用自行开发的三维粘性流场求解程序进行流场计算建立数据库,采用二次响应面方法建立近似模型,再应用高效模拟退火算法进行全局寻优.以NASA rotor57为对象,在详细进行流场计算基础上采用所提出的优化体系对其进行了三维积叠优化设计.在对流量、效率加以严格约束的条件下,总压比可提高1.8%,对流场结构进行了分析.优化结果表明本优化方法省时,适于三维气动设计的特点.     

基于响应面法的联结翼气动设计及优化

联结翼布局与常规布局相比具有结构重量轻、诱导阻力小、升力系数大、稳定性良好的特点。本文选取5个对联结翼布局影响明显的设计变量,利用数值模拟的方法研究不同设计变量对联结翼气动特性的影响。同时,应用了旨在提高优化计算效率的响应面方法。在优化设计中采用模拟退火算法对目标函数进行优化求解。研究结果表明,在机翼面积不变的情况下,增大前、后翼弦向距离以及两翼间的翼隔,采用V型翼差角布局方式,能有效降低两翼间的相互干扰,增大升阻比。     

发动机榫头/榫槽接触问题的可靠性形状优化设计

在结构可靠性形状优化的基础上，推导了接触问题随机有限元的灵敏度解析分析表达式，给出了优化分析的基本步骤，并对某发动机燕尾型榫头／榫槽接触结构，选取榫头齿颈宽和齿面倾斜角为设计变量，以榫头最大拉伸应力、齿面挤压应力及可靠度指标为约束条件，对榫头边界上节点的最大当量应力进行了优化分析。结果表明，优化后榫头和榫槽接触面上的接触压力、当量应力及可靠度指标的分布更加均匀，验证了优化分析模型的合理性及所提出的可靠性形状优化设计方法的有效性，为榫头／榫槽的结构设计提供有价值的参考。     

基于灵敏度的可靠性优化解耦方法

针对航空结构可靠性优化设计问题,提出了一种基于灵敏度的可靠性优化(RBO)解耦方法。首先将高效求解的可靠性灵敏度用于失效概率函数(FPF)的快速构建,其优点在于仅需要一次可靠性分析即可得到失效概率函数的局部近似,克服了常规求解方法中需要多次可靠性分析的缺点;然后将得出的FPF近似代入RBO模型中,将原问题解耦成确定性优化子问题,可用常规优化方法来求解。另外,采用了序列近似优化策略来保证可靠性优化解的正确性。文中给出了复合材料梁和机翼三盒段结构的优化求解算例来说明本文方法的可行性和正确性。     

基于自适应模拟退火算法的航空电磁阀优化研究

电磁阀是组成航空发动机数字电子控制系统的重要部件,其响应的快速性是制约航空发动机数字电子控制系统性能的重要因素。根据某型航空电磁阀的设计原理构建了一种电磁阀数学模型,并使用设计参数及实际的试验、试车数据对所建成的航空电磁阀数学模型进行了验证。验证结果显示,所设计的电磁阀数学模型具有较高的动静态的精度,在此基础上,设计了一种基于自适应模拟退火算法的航空电磁阀优化方法,并对电磁阀的线圈匝数、阀芯质量、工作气隙的宽度和模型管直径等4个重要参数进行了优化。研究结果证实,相比于原设计方案,参数优化后的电磁阀开启响应时间缩短了50%,关闭响应时间缩短了45.4%。     

Effect of Variable Selection on Multidisciplinary Design Optimization： a Flight Vehicle Example

Different multidisciplinary design optimization (MDO) problems are formulated and compared. Two MDO formulations are applied to a sounding rocket in order to optimize the performance of the rocket. In the MDO of the referred vehicle, three disciplines have been considered,which are trajectory, propulsion and aerodynamics. A special design structure matrix is developed to assist data exchange between disciplines. This design process uses response surface method (RSM) for multidisciplinary optimization of the rocket. The RSM is applied to the design in two categories: the propulsion model and the system level. In the propulsion model, RSM deter-mines an approximate mathematical model of the engine output parameters as a function of design variables. In the system level, RSM fits a surface of objective function versus design variables. In the first MDO problem formulation, two design variables are selected to form propulsion discipline. In the second one, three new design variables from geometry are added and finally, an optimization method is applied to the response surface in the system level in order to find the best result. Application of the first developed multidisciplinary design optimization procedure increased accessible altitude (performance index) of the referred sounding rocket by twenty five percents and the second one twenty nine.