航空发动机套齿结构动态装配关系稳健性优化设计

为了更加合理地优化发动机套齿结构的装配关系,使得动态装配关系在运转状态下对于载荷环境变化具有稳健性,对套齿结构进行了力学特征分析,动态装配关系时变特征的研究。利用Kriging响应面模型建立随机参数与装配特征参数之间的近似模型,进行了概率分析。构建当量装配质量损失模型,采用果蝇优化算法对套齿结构装配特征参数进行了稳健性优化设计。优化后的当量装配质量损失为0.0441,各动态装配特征参数向目标值趋近,并且随外载荷及材料参数的波动减小,降低了对随机变量的敏感度。     

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.     

航空发动机直通型篦齿径向变形稳健性优化

为了降低参数不确定性对发动机直通型篦齿径向变形的影响,提出了一种基于最小二乘支持向量机(LS-SVM)和概率分位数区间模型的稳健性优化方法。通过LS-SVM建立参数与篦齿径向变形的响应面近似模型,考虑到参数不确定性分布类型的差异性,采用概率分位数区间方法建立稳健性优化模型,对篦齿结构径向变形进行了稳健性优化设计。结果表明:优化后的篦齿结构径向变形概率分位数区间比优化前减少6%,参数灵敏度分析结果也验证了该优化方法的有效性。     

考虑多工况性能可靠性的航空发动机循环设计方法

为实现航空发动机总体性能设计方法由传统的确定性设计向不确定性概率设计转变，提出基于分布式协同响应面法思想的航空发动机多工况性能可靠性循环优化设计方法:建立了引入非确定性部件性能的航空发动机性能仿真模型，通过试验设计、非设计点性能仿真试验等步骤，构建了各典型工况下发动机推力与耗油率性能可靠度关于设计点循环参数的分布式响应面模型，并以此构建多工况性能协同响应面模型进行循环参数优化设计，最终获得循环参数非劣解集并通过随机试验进行验证。结果表明，通过多工况性能可靠性循环优化设计方法获得的循环参数非劣解集均能使发动机在多个典型工况下的总体性能同时达到不低于97.5%的高可靠度，为设计人员根据实际情况选取循环参数提供依据。      

航空发动机套齿结构配合稳健性优化设计

为了更合理地设计套齿结构的配合关系,提高套齿结构配合精度,适应不对中运行工况,降低对加工误差的敏感度,研究了航空发动机套齿结构在倾角不对中的情况下的运动特点以及配合关系,并推导了含有倾角不对中的套齿结构齿侧间隙以及与之相关的套齿特征量的计算公式,对某型航空发动机的压气机轴径套齿结构进行了计算与分析。在此基础上,考虑到参数的随机性,应用果蝇优化算法对套齿结构齿侧间隙进行了稳健性优化设计。结果表明：计算公式中考虑倾角的影响能够有效地避免运动干涉和装配预应力,稳健性优化设计可以有效地避免由于倾角不对中、加工误差等参数随机因素导致齿侧间隙的设计值偏大。证明了所提出的计算和优化方法可以使套齿结构配合关系的设计更加合理,可为套齿结构设计、装配提供参考。     

考虑榫槽/榫齿配合间隙的叶盘结构疲劳寿命稳健性优化研究

为了更好地满足榫齿结构的设计、加工和制造需求,同时提高叶盘结构的疲劳寿命稳健性,利用有限元方法对不同配合间隙下的应力应变进行计算,揭示并分析了叶盘结构疲劳寿命随配合间隙的变化规律,综合考虑载荷、材料参数、配合间隙不确定性的情况下,利用二次多项式响应面分别建立了随机变量与叶盘疲劳寿命的近似函数关系,并结合多目标规划理想点法建立了叶盘结构疲劳寿命多目标稳健性优化模型。优化结果表明:叶片、轮盘疲劳寿命均值分别增加了3.24%和1.93%,疲劳寿命概率区间分别降低了10.13%和8.16%,叶盘结构疲劳寿命对参数变化的敏感度降低,有利于更加准确地进行寿命评估。     

涡轮叶片疲劳-蠕变寿命稳健性优化方法

为了清晰地反映涡轮叶片的疲劳-蠕变交互作用,提高寿命预测结果的准确性及可靠性,并改善涡轮叶片疲劳寿命对随机变量的敏感程度,分别采用Manson-Coffin公式和Larson-Miller方程计算了涡轮叶片的低循环疲劳寿命和蠕变持久寿命,利用修正的时间-寿命分数法计算了涡轮叶片疲劳-蠕变损伤,在此基础上,将响应面法(RSM)与果蝇优化算法(FFOA)相结合,考虑载荷、材料参数、疲劳-蠕变交互程度的不确定性,对涡轮叶片疲劳寿命进行了稳健性优化设计。优化结果表明:涡轮叶片疲劳-蠕变小时寿命的概率区间减小了8.48%,验证了该优化方法的工程可行性。     

基于度的结构区间可靠性分析方法研究

为了分析考虑不确定性因素影响下的结构可靠性,基于不确定性参数的区间描述,用度的方法对结构区间可靠性进行分析。用区间数描述影响结构功能的不确定性,建立结构可靠性分析的区间应力一强度干涉模型,将这些区间变量引入到结构区间可靠性的分析中。基于区间数学以及区间数比较方法理论,提出了一种新的区间可靠性指标。运用基于度的结构区间可靠性分析方法进行计算,分析结果表明该方法具有良好的数学性质,计算得出的结果与用非概率可靠性计算结果相一致,表明该方法可以对结构安全或可靠的程度做出合理的估计。     

基于多项式混沌法的翼型不确定性分析及梯度优化设计

耦合伴随方法和非嵌入式多项式混沌法，发展了高效、可靠的不确定性梯度优化设计方法。利用伴随方程法求解目标函数对不确定性变量的导数，发展了一种梯度增强型多项式混沌法。通过亚声速和跨声速下等多种算例可以证明该方法可以提高不确定性分析的效率和精度。同时，利用基于方差分解的全局敏感性分析方法对不确定性变量的敏感性进行了量化。建立了多项式混沌耦合伴随方程的统计矩梯度求解方法，并结合梯度增强型多项式混沌法搭建不确定性梯度优化设计系统。基于该优化设计系统对二维低亚声速和跨声速翼型开展确定性及不确定性优化设计研究。优化结果显示，相比于确定性优化设计，不确定性优化设计通过合理权衡确定性性能和不确定性性能，可提高抵抗马赫数和迎角不确定性扰动的能力，同时优化性能均值和标准差。其中阻力系数均值最大可降低17%，阻力系数标准差最大可降低80%。而确定性优化设计可能导致性能鲁棒性的降低。     

基于ERSM涡轮盘径向变形的非线性动态概率分析

为了准确设计高压涡轮盘和叶尖间隙,从概率的角度进行了涡轮盘径向变形的分析。介绍了高精度高效率的非线性动态概率分析的极值响应面方法 (Extremum Response Surface Method,ERSM),并建立了其数学模型。考虑材料属性和边界条件的非线性,以及热载荷和离心载荷的动态性,基于ERSM对涡轮盘径向变形进行了非线性动态概率分析,得到了输入输出参数的分布特征和影响涡轮盘径向动态变形的主要因素。最后,通过方法比较,验证了ERSM在保证计算精度的前提下能大大提高计算速度,节约计算时间,改善计算效率。为进行更有效的涡轮盘设计和优化,改善叶尖间隙设计和控制的合理性提供了有效依据。     

结构非概率可靠性灵敏度分析方法

 结构非概率可靠性的灵敏度分析对工程中非概率问题的分析预测和优化具有重要的指导作用。基于结构非概率可靠性指标理论,提出了结构非概率可靠性的灵敏度分析方法。针对极限状态函数为线性的情况,推导出了非概率可靠性灵敏度的解析解。在此基础上,结合函数线性化理论,提出了求解极限状态函数为非线性情况的非概率可靠性灵敏度的近似解析方法。基于求解非概率可靠性指标的优化方法,并结合差分理论,提出了求解非概率可靠性灵敏度的优化方法。给出了算例分析,结果表明了所提方法的可行性。     

Hybrid uncertainty-based design optimization and its application to hybrid rocket motors for manned lunar landing

Design reliability and robustness are getting increasingly important for the general design of aerospace systems with many inherently uncertain design parameters. This paper presents a hybrid uncertainty-based design optimization (UDO) method developed from probability theory and interval theory. Most of the uncertain design parameters which have sufficient information or experimental data are classified as random variables using probability theory, while the others are defined as interval variables with interval theory. Then a hybrid uncertainty analysis method based on Monte Carlo simulation and Taylor series interval analysis is developed to obtain the uncer-tainty propagation from the design parameters to system responses. Three design optimization strategies, including deterministic design optimization (DDO), probabilistic UDO and hybrid UDO, are applied to the conceptual design of a hybrid rocket motor (HRM) used as the ascent propulsion system in Apollo lunar module. By comparison, the hybrid UDO is a feasible method and can be effectively applied to the general design of aerospace systems.     

正交多项式在不确定转子动态响应计算中的应用及对比分析

为研究航空发动机转子系统中的区间不确定性对系统动态响应的影响,提出利用正交多项式求解不确定转子响应的非嵌入式区间分析法,克服了传统概率方法需要参数先验概率分布的苛刻要求。用有限元法建立了悬臂转子的确定性运动方程,阐述了Chebyshev和Legendre两种正交多项式建立响应代理模型的原理和计算步骤。通过与Monte Carlo抽样对比,验证方法的可行性和精度。对照Monte Carlo方法500样本的计算结果,两种多项式区间法计算结果都具有较高精度,误差均小于1%,而计算时间则分别为Monte Carlo法的2.5%和5.4%,Chebyshev多项式方法具有更高的计算效率。分析了不同不确定参数在不同不确定水平下,系统的响应范围。研究表明,正交多项式区间分析法可高精度高效率地计算转子系统区间响应范围,不确定性对该转子系统动力特性影响很大,多源不确定性传播可引起转子系统大幅振动。      

基于Taguchi方法的转子系统动力学容差设计

提出了基于Taguchi方法的转子系统动力学容差设计理论.从结构的动力响应要求出发,以Taguchi方法为基础,对结构的制造及装配容差进行动力学容差设计,减小结构在制造过程的设计参数不确定和安装工艺不确定影响下其动力响应的波动.该设计过程为:①通过正交试验及方差分析完成参数设计,初步确定符合要求的参数设计值组合;②确定容差设计的初始设计值及初始设计范围,确定目标函数,形成多目标优化问题;③利用遗传算法对多目标优化问题进行解算,得到容差设计结果.对某型双转子航空发动机具有初始不平衡量轮盘的安装工艺进行了容差设计.设计表明:具有初始不平衡量的轮盘在装配时通过控制不平衡量的幅值及相位角差的搭配可有效降低支承振动响应,设计后支承最大振动响应合格率由17.7%提高至97%,验证了该设计理论的可行性.     

基于泰勒展开法的转子系统动力特性区间分析方法

对转子系统动力特性运用一种非概率-区间分析方法进行分析.基于区间数学和1阶泰勒展开理论的区间分析方法将非确定参数支承刚度和连接结构刚度视为区间向量,运用泰勒展开法建立了转子系统固有频率的公式.区间分析方法降低了传统的概率分析方法对不确定参数信息的过分要求,为解决含有非确定参数的转子系统动力特性问题提供了一个途径.应用区间泰勒展开法和概率方法对数值算例进行了分析,并比较了结果.当参数非确定性小于20%时,计算得到的转子系统固有频率区间上下界与真实值区间上下界误差小于2.2%.建立了转子系统动力特性试验装置,试验结果验证了方法的有效性.      

结构的概率-非概率混合可靠性模型

将影响结构可靠性分析的不确定性因素用概率和非概率两种方式模拟。并基于结构可靠性分析中的概率可靠性模型和非概率集合可靠性模型,提出一种新的结构可靠性分析的概率-非概率混合模型。该模型首先通过将功能函数进行非概率可靠性分析,然后将标准化区间变量空间所有区域的可靠度进行求和计算,从而给出结构的可靠度。并根据相同的不确定信息,由混合可靠性模型与概率可靠性模型得到的结果是相等的,证明了方法的有效性。最后,通过一个典型结构和一个机翼下壁加筋板与传统概率可靠性模型进行比较,表明该混合模型对于结构的分析和设计更为合理,能够更好地保证结构的安全性。     

Direct dynamic-simulation approach to trajectory optimization

This paper proposes a new direct method for an efficient trajectory optimization using the point that the dynamics of a deterministic system are uniquely determined by initial states and controls imposed over the time horizon of interest. To effectively implement this concept, the Hermite spline is adopted to interpolate the continuous controls and the system dynamics are integrated with corresponding control parameters in prior. As a result, the optimal control problem can be transcribed into a nonlinear programming problem which has no dynamic equality constraints and no intermediate states in its design variables. In addition, the paper proposes an efficient recursive Jacobian estimation technique and introduces a Jacobian transformation matrix to straightforwardly handle the general state constraints. Important properties of the present method are thoroughly investigated through its applications to the trajectory optimization for a soft lunar landing from a parking orbit, including the detailed analyses for the de-orbiting phase. The computed results are compared with those using the pseudo-spectral method to demonstrate an extreme outperformance of the proposed method in the aerospace applications over the traditional direct method.     

不确定参数结构特征值问题的概率统计方法和区间分析方法的比较

 基于区间数学理论、灵敏度分析理论、Kronecker代数理论，应用Taylor级数展开、概率摄动技术，提出了具有不确定参数结构的特征值问题的区间分析方法。结合工程实例与传统的概率分析方法进行比较，给出了两种方法的数值解法及各自解法的Kronecker代数形式。数值算例的结果显示了区间分析方法在具有不确定参数结构特征值问题分析中的价值和有效性。     

机翼颤振的区间有限元分析(英文)

The influences of uncertainties in structural parameters on the flutter speed of wing are studied. On the basis of the deterministic flutter analysis model of wing, the uncertainties in structural parameters are considered and described by interval numbers. By virtue of first-order Taylor series expansion, the lower and upper bound curves of the transient decay rate coefficient versus wind velocity are given. So the interval estimation of the flutter critical wind speed of wing can be obtained, which is more reasonable than the point esti- mation obtained by the deterministic flutter analysis and provides the basis for the further non-probabilistic interval reliability analysis of wing flutter. The flow chart for interval fmite element model of flutter analysis of wing is given. The proposed interval finite element model and the stochastic finite element model for wing flutter analysis are compared by the examples of a three degrees of freedom airfoil and fuselage and a 15° sweptback wing, and the results have shown the effectiveness and feasibility of the presented model. The prominent advantage of the proposed interval finite element model is that only the bounds of uncertain parameters are required, and the probabilistic distribution densities or other statistical characteristics are not needed.     

Robust optimization of control command for aerospace vehicles with aerodynamic uncertainty

To reduce the design burden of Aerospace Vehicles (ASVs) control systems, this paper proposes a multi-constrained robust trajectory optimization method, which provides a good front-end input for the control system. Differ from the conventional aircraft, some control performance of ASVs is not only related to the model parameters, but also affected by the flight status. Therefore, the robust optimization method combines this characteristic of ASVs, sets the control performance as one of the optimization objectives, and considers the influence of parameter uncertainty. In this method, the polynomial chaos expansion algorithm is used to transform the trajectory optimization problem with uncertain parameters into the equivalent deterministic robust trajectory optimization problem. Finally, compared with traditional deterministic trajectory optimization methods to illustrate the effectiveness of proposed control optimization method.