联立法求解月面上升段最优轨迹的快速收敛控制技术

为了更好地解决复杂约束下的航天器月面上升段在线轨迹规划问题,提出了一种求解最优轨迹的联立框架。首先利用有限元正交配置法将状态变量和控制变量完全离散化,得到一个非线性规划命题。考虑到命题中含有较多的不等式约束并且会随着有限元的增加而增加,故采用内点算法对非线性规划命题进行求解。离散化后的非线性规划命题的规模大幅度增加,导致了优化计算难度的加大和求解时间的增加,为了便于联立法的在线应用,采用收敛深度控制策略从平衡解的精度和计算效率的角度来改进优化算法的实时性。以某航天器载人返回任务月面上升段场景为算例进行仿真,结果表明基于联立法求得的最优控制量序列得到的飞行轨迹满足轨道根数的精度要求,同时利用收敛深度控制策略可以实现快速收敛控制。     

基于图形法的仿生拓扑优化方法

针对图形系统自动生成图形拓扑形式的优势,提出了一种以隐式方式表征结构拓扑形式的分步拓扑优化设计方法。该分步优化方法首先以基结构法（ground structure method）的计算结果为基础,并通过均匀化方法得到设计区域内的离散拓扑信息,利用第一步所得的拓扑数据指导分形系统中每一级新增拓扑结构的生长方向,以类似细胞分裂生长的形式完成整体结构拓扑形式生成。最后以参数化建模方式完成模型的结构有限元的批量计算,并结合进化算法,完成对设计模型的优化。其中第一个案例通过本文仿生方法在多目标优化方法下得到了近似Michell结构的最优拓扑结构,第二个方案中机翼蒙皮的屈曲载荷系数提升了10.61%,并且质量降低了10.85%,验证了本文方法在类平面结构拓扑优化方面的可行性。      

运用混合遗传算法的多机编队重构优化方法

多机编队重构优化除了要考虑终端状态约束、控制作用能量约束之外,还必须考虑安全防撞距离与通信保障距离的约束。在满足这些约束的前提下,提出了一种新的结合控制作用参数化与时间离散化(CPTD)方法和遗传算法(GA)的混合算法,将编队重构最优时间控制问题进行控制作用参数化和时间离散化处理,转化为带自由终端状态约束的离散型优化问题,并通过对传统遗传操作算子的改进,采用改进的遗传算法进行寻优,得到最优解。算例结果表明了该混合算法的有效性,其适用于编队重构最优时间控制问题。     

飞机装配型架结构离散化模型的建立

本文介绍建立飞机装配型架结构离散化模型，以便用有限元分析进行刚度计算。主要有型架结构本身的离散化、作用于型架结构力系的离散化和结构边界条件的离散化。     

复合材料加筋壁板的两步优化法

通过采用辅助层压板和添加极小弹性模量材料的复合材料加筋壁板有限元建模方法,应用MSC．PAT－RAN／NASTRAN的参数化建模与遗传算法相结合的复合材料加筋壁板的两步优化方法,对复合材料T型加筋壁板进行了从2000 N／mm到6000 N／mm压缩载荷下的结构优化分析。提出的基于参数化模型和遗传算法的复合材料加筋壁板的两步优化法分为壁板级优化和层压板级优化两部分,在壁板级优化得到最优的结构尺寸参数,在层板级优化得到最优的层压板铺层顺序。     

遗传算法在气动优化问题中的适应性分析

由于在理论上可找到全局最优解、不需计算灵敏度、对设计空间无特殊要求等这些优点,遗传算法(GA)在气动优化问题中得到了大量的应用.然而,实际应用中算法的理论收敛条件很难满足,面临着严重的计算效率问题.在具体应用中,气动问题本身的特点对算法参数选取和进程设计提出了适应性的要求.本文在分析算法优化机制的基础上,针对气动优化自身特点,以典型气动优化问题为例,对优化参数的设置进行了分析讨论.分析总结了翼型优化问题中参数化模型设计变量维数增加对翼型优化问题的影响,给出了初步定量的参数取值规律.结果表明参数化模型应当选择足够大的变量维数来描述设计空间,在变量维数确定之后选取合理种群规模和截止代数,以保证优化结果的收敛性.所得定性和部分定量的结果可以为优化算法在气动优化中的应用提供依据.     

基于响应面法的单向压紧制孔工艺参数优化

目前,轻型自动化制孔系统已在航空制造领域得到广泛应用。针对其关键应用技术单向压紧制孔工艺,提出了一种基于响应面法(RSM)的参数优化方法。以中机身与中后机身的对接结构为例,构建四阶响应面模型并验证了该方法的有效性,采用自适应退火算法进行参数优化,给出参数推荐值。该方法仅通过少量样本点的有限元分析,即可构建可靠的响应面,避免优化迭代过程中的有限元仿真分析,大大提高计算效率和精度。     

基于解析梯度的微推进转移轨道优化方法

 研究基于离散脉冲策略的行星际微推进转移轨道优化问题,为改善收敛性和计算效率,提出了一种解析的梯度矩阵计算方法。首先,基于离散脉冲思想建立了行星际微推进转移轨道优化模型,通过对速度脉冲矢量进行参数变换,避免了传统优化模型初值猜测和搜索域难以界定的缺点;然后,基于变分原理分析了离散脉冲模型中轨道状态转移矩阵与状态变分之间的关系,并给出了多种轨道特征条件下状态变分的计算方法,该方法可扩展到多次状态不连续情况;在此基础上,推导了离散脉冲轨道优化模型中性能指标与轨道约束对寻优参数梯度矩阵的解析表达式。以地球-火星的燃料最省微推进转移为例对所提解析梯度方法进行了仿真验证。数值结果表明：本文推导的解析梯度矩阵是正确的,与传统数值梯度计算方法相比,解析梯度矩阵可有效改善寻优算法的收敛特性,并能够提高计算效率约47%。     

基于模拟退火遗传算法的平面连续体结构的拓扑优化

采用遗传算法,用染色体基因映射结构离散化后的单元体,通过改变基因代码实现连续结构的拓扑。优化过程中,利用遗传算法进行结构优化,通过有限元技术对结构进行建模和分析。在遗传算法中,引入模拟退火的思想,实时调整结构优化的适应度函数,改善优化分析中个体所处的生存环境,提高优化分析效率,获得较优的结构拓扑效果。算例分析表明所提出的方法是有效的。      

轴向压缩CFRP材料圆柱壳稳定性优化设计研究

为了提高CFRP圆柱壳的屈曲载荷，降低缺陷对载荷的影响，提出以铺层纤维方向角为设计变量的基于遗传算法的多目标优化方法。采用圆柱壳屈曲理论计算临界载荷和统计方法计算缺陷敏感度，对由个体组成的群体施加选择、交叉和变异等操作，通过多代进化得到问题的pareto最优解。算例优化结果与采用离散方法得到的目标空间比较吻合，验证了方法的准确性和有效性。     

Optimization Design System for Composite Structures Based on Grid Technology

To solve the topology optimization of complicated multi-objective continuous/discrete design variables in aircmit structure design, a Parallel Pareto Genetic Algorithm （PPGA） is presented based on grid platform in this paper. In the algorithm, the commercial finite element analysis （FEA） software is integrated as the calculating tool for analyzing the objective functions and the filter of Pareto solution set based on weight information is introduced to deal with the relationships among all objectives. Grid technology is utilized in PPGA to realize the distributed computations and the user interface is developed to realize the job submission and job management locally/remotely. Taking the aero-elastic tailoring of a composite wing for optimization as an example, a set of Pareto solutions are obtained for the decision-maker. The numerical results show that the aileron reversal problem can be solved by adding the limited skin weight in this system. The algorithm can be used to solve complicated topology optimization for composite structures in engineering and the computation efficiency can be improved greatly by using the grid platform that aggregates numerous idle resources.     

一种基于有限元法和弹性接触理论的齿轮啮合刚度改进算法

提出了一种将有限元法和弹性接触理论相结合的齿轮啮合刚度计算方法.该方法利用子结构法提取齿面原始柔度矩阵并分离出接触点弯曲变形,根据线弹接触变形解析公式计算接触变形,通过求解非线性变形协调方程得到齿轮时变啮合刚度和齿面载荷分布.以一对齿轮副为例,计算的啮合刚度与航空标准计算结果相差在6%以内.该方法发挥了有限元法在预测物体整体变形方面的优势,同时结合弹性接触理论能够准确计算局部接触变形的优点,与常规有限元法相比,能够有效地提升计算效率.由于接触变形问题的非线性,啮合刚度随总啮合力增加呈现非线性增大的趋势.      

三维Euler方程自适应八叉树结构各向异性直角网格算法

采用各向异性直角网格对相应的三维复杂流场进行了模拟 ,提出了物面三角化方法及网格与物面的相交判断过程。用以中心差分为基础的 Jameson的有限体积法对 Euler方程进行求解。计算结果表明 ,各向异性直角网格算法对相应流场进行模拟 ,计算时间较短而效果较好     

基于Kriging模型和遗传算法的齿轮修形减振优化

针对齿轮修形优化时计算啮合刚度计算量大、计算精度低、操作繁琐等问题，提出一种基于Kriging模型和遗传算法的齿轮减振修形优化算法.以典型直齿轮传动为例开展齿轮修形优化，通过拉丁抽样建立Kriging模型，解决齿轮修形优化的多响应和隐式函数的问题，通过Kriging预测的啮合刚度与有限元法的对比可知，时变啮合刚度函数各参数的误差最大值为7.79×10-5,1.20×10-3及1.30×10-4，验证了Kriging多响应预测啮合刚度函数的精确性.将Kriging预测函数代入直齿轮啮合传动的动力学微分方程，采用遗传优化算法时将齿轮动态传动误差响应波动最小作为优化目标，得到最优的齿轮修形参数.算例表明:相比于ISO(International Standardization Organization)修形和未修形的齿轮，该算法的减振效果最好，验证了基于遗传算法与Kriging模型对齿轮进行修形优化的正确性、高效性.相比于直接采用有限元法进行齿轮修形优化，该算法计算时间由26.91d减小为2.24h，证明了该算法计算效率的优越性.      

基于CFD/CSD方法的蜻蜓柔性翼气动特性分析

给出了一种基于计算流体力学/计算结构力学（CFD/CSD）的双向流固耦合方法.通过交替数字二叉树（ADT）搜索技术识别流固网格之间的宿主-受体关系.采用局部插值算法完成两套网格系统之间的数据交换,并使用Delaunay图映射方法来完成气动网格的移动.将自编的非线性结构有限元程序、接口程序与南京航空航天大学（NUAA）微型飞行器中心的流体计算程序3D2MUFS相连接,应用于蜻蜓柔性翼拍动飞行的气动计算中.计算结果表明:柔性变形使得蜻蜓翼的时均举力系数从0.31提高到0.53,时均推力系数从0.07提高到0.13,证实了柔性变形能改善扑翼的气动性能.      

基于非结构重叠网格的二维N—S方程求解与应用研究

本文发展了非结构重叠网格技术.通过构造任意单元类型网格重叠的网格间边界确定算法、宿主单元搜索算法以及网格间插值算法,把非结构重叠网格推广应用于求解NS方程,并结合湍流模型模拟二维湍流流场.N-S方程的求解采用有限体积法,通量计算采用Osher格式,湍流模型采用SA模型.为验证本文方法的正确性和有效性,模拟了RAE2822翼型和某三段翼型绕流湍流流场,结果表明采用非结构重叠网格模拟复杂外形湍流流场不但网格生成效率高,而且容易推广应用于具有相对运动的非定常问题,具有较高的工程应用价值.     

在MIMD型机上求解板的临界载荷的一种并行算法

提出了一种在ＭＩＭＤ型并行机上求解板的临界载荷的子结构方法的并行算法。此算法实际上就是解决Ａｘ＝λＢｘ广义特征值问题（其中Ａ、Ｂ为正定的箭头型矩阵）。主要通过矩阵变换将此问题转化成适合并行算法的一般特征值问题。给出了此并行算法的并行加速及效率的分析和算例,证明了此并行算法的优越性。     

基于递阶遗传算法的结构多损伤监测

基于递阶遗传算法(HGA)与结构优化思想,提出了一种针对欧拉-伯努利梁和二维板结构的多损伤监测方法.该方法利用递阶遗传算法的控制基因表示损伤的数量和位置,以参数基因表示损伤的程度,有效地避免了传统遗传算法(CGA)的早熟现象所造成的损伤误识别等问题.一个悬臂梁和悬臂方板结构模型的多损伤监测仿真计算表明该方法能够准确地监测一、二维结构中多个位置的损伤,而传统遗传算法难以识别二维结构中的多损伤情况.悬臂梁仿真算例中,该方法和传统遗传算法对多损伤程度的识别误差分别为0.144%和1.819%,所需的有限元计算次数该方法仅为传统遗传算法的16.4%.与传统遗传算法相比,递阶遗传算法明显提高了损伤识别方法的计算效率、精度和稳定性.      

机翼结构重量预测的多学科分析优化方法

为了克服现有机翼结构重量计算方法的局限性,提出一种基于多学科分析优化的机翼结构重量计算方法。以客机机翼为例,阐述整个计算流程。计算流程的关键步骤包括机翼外形和结构参数化建模、气动分析模型自动生成与外形优化、结构有限元模型的自动生成和结构优化。应用CAD软件CATIA的二次开发方法,实现机翼外形几何模型、结构布置几何模型和气动分析模型的自动生成;应用MSC.Patran的PCL编程技术,实现结构有限元模型的自动生成;应用等效刚度和等效强度方法,提高结构有限元模型自动生成的稳健性,缩短结构分析和优化的计算时间;应用多学科集成和优化技术,建立机翼结构重量预测的计算平台,实现整个计算过程的自动化。算例表明这种方法稳健、有效,可快速地分析机翼外形参数与结构重量之间的关系,分析不同展向载荷分布和不同选材方案对机翼结构重量的影响。     

基于正交试验设计的空心叶片结构优化设计

提出了描述空心风扇叶片几何特征的结构设计参数,并由此建立了空心叶片有限元分析模型,同时为适应优化设计的迭代过程,发展了一种能够自动更新空心叶片结构高质量有限元网格的方法.在对简化的设计变量进行合理假设和离散的基础上,将基于强度约束和质量最小化为目标的优化设计问题转化为寻求无约束多目标优化问题,并通过多轮数值正交试验设计...