一种面向飞机族的结构优化方法

 飞机族是一组共享通用部件或子系统的、但性能或使用要求不同的相关飞机产品的集合。针对通用模块化飞机族结构优化问题,提出一种基于代理模型的二级优化方法。该方法将结构优化分为两个层次：通用模块结构优化层次和专用模块结构优化层次。这种方法不但流程简单,且各层次的设计变量和约束较少,并且专用模块优化层次之间具有独立性,易于实现并行设计。以某支线客机族的机翼结构优化问题为例,首先阐述飞机族结构优化模型,然后应用本文提出的二级优化方法求解支线客机族的机翼结构优化问题。优化结果表明该方法能成功解决飞机族的结构优化设计问题,能同时优化飞机族中各型号的结构参数。     

模块化飞机结构优化设计方法

<正>随着航空科技的进一步发展,突破传统模式、力求创新,以追求任务的多样化和产品的经济性成为一大趋势。其中,模块化设计技术在航空航天等领域逐渐引起了广泛的关注。模块化飞机设计是指在飞机的初步设计阶段,就考虑各个机型通用的部件或子系统,将通用的部件或子系统组成通用平台,通过添加或修改模块形成不同的型号,满足不同的技术和使用要求。飞机模块化可以扩展飞机产品的用途和类型,满足不同的任务要求;减少制造过程中的工艺装备成本;降低飞机维修和维护费用,减少采购成本和库存等。现有的飞机设计理论和方法主要针对单一机型,而在模块化设计时需要同时考虑多任务需求。目前模块化飞机的设计方法研究在国内外都处于初始阶段。Pate等人     

自动化技术在飞机活动翼面结构方案论证中的应用

为了探讨飞机活动翼面结构布局方法 ,并提供一种基于现代集成设计技术的、具有良好操作性的、用于结构方案论证时的新方法 ,本文采用模块化策略和几种手段相结合的思想作为技术途径 ,具体表现为将CAD、CAE和结构拓扑优化组合使用 ,以UG作为CAD几何造型平台 ,以ANSYS作为CAE建模平台 ,利用作者提出的敏度阀值概念和约束补偿措施构造出一种拓扑优化新算法。以实际飞机型号作为算例 ,优化结果与真实的结构布局形式相比较 ,能够指出传统设计的不足之处 ,这既验证了本文建立的物理模型的合理性 ,又考核了该优化算法的有效性 ,同时 ,也说明了本文提出的“结构布局方法”具有一定的实用性。最后 ,从该方法的良好操作性可以预示出它对未来飞机活动翼面结构设计 ,会具有指导性     

飞机模块化产品数据管理探讨

介绍了飞机产品模块的定义和分类,针对国内目前飞机模块化产品数据管理存在的问题,在产品结构设计视图、模块划分及有效性定义、版本控制、基于需求的飞机构型基线建立与控制、系列化产品平台搭建、模块化程度评价等方面给出了实施建议.     

飞机翼面结构概念设计方法研究

旨在探讨新一代飞机翼面结构概念设计方法,并提供一种基于现代集成设计技术的、具有良好操作性的、用于飞机结构方案论证的新方法,本文采用模块化策略和三种手段相结合的思想作为技术途径,体现为将CAD、CAE和结构拓扑优化组合使用,以UG作为几何造型CAD平台,以AN-SYS作为CAE建模平台,利用作者提出的敏度阀值概念和约束补偿措施构造出一种拓扑优化新算法。以实际飞机型号作算例,结合“功能构件”与“非功能构件”概念,使得优化结果与真实的结构布局形式具有很好的一致性,这既验证了本文所建优化模型的合理性,又考核了该优化算法的有效性,也说明了文中提出的“概念设计方法”具有一定的实用性。从该方法的良好操作性可以预示出它对未来飞机翼面结构设计会具有较好的指导作用。     

支线飞机综合飞行仿真平台设计

针对支线飞机机械操纵系统的特点,设计了由模块化的功能单元组成的综合飞行仿真平台,可以实现机械操纵系统数字仿真,在支线飞机的设计与制造中有着重要的应用价值,此平台通过改进还可用于支线飞机的试飞科目训练,从而降低试飞风险并缩短研制周期。     

飞机五性一体化协同工作平台框架设计

通过对比国内外可靠性、维修性、测试性、安全性和保障性工作现状,归纳了国内在飞机研制过程中五性一体化的设计特点以及在工程应用方面存在的问题与差距,给出飞机研制过程中开展五性一体化设计的流程和数据、工作及工具接口协同需求,然后对五性一体化协同设计平台进行了初步构想(包括平台建设原则、平台规划和平台建设中需要突破的关键技术等内容),为解决飞机研制过程中五性设计优化、整合及综合权衡以及数据共享等提供技术支持。     

主供模式下飞机模块化装配工艺设计探析

针对主供模式下飞机研制存在的各类瓶颈问题,借鉴汽车、船舶行业模块化装配的思路,提出飞机模块化装配的思想,并对实现飞机模块化装配的工艺设计进行分析。在设计数据结构模块化、系统模块化、功能模块化和接口标准化的基础上,通过全机顶层模块化装配工艺设计,辅以优化分工、细化交付状态、集成装配等方法扩大飞机总装装配平行作业面。充分发挥主供模式优势,通过总装工作适量前置降低总装阶段工作难度,最大限度提高飞机装配工作效率,从而缩短型号研制总周期,确保型号研制节点。     

模块化飞机结构优化设计的等效多工况法

随着航空科技的发展,追求飞机任务的多样化和低生命周期成本成为一大趋势,其中模块化飞机设计对于未来飞机设计的多用途以及经济性具有实际意义。针对模块化飞机结构优化设计的特点,提出了等效多工况(EMCO)法,将模块化结构优化问题分解为通用模块的多工况优化问题和各专用模块的独立优化问题。通用模块等效为承受多工况载荷的结构,并按多工况优化方法进行优化设计,使通用模块质量最轻。各型号的专用模块在此基础上分别进行独立的优化设计。通用模块和专用模块交替优化,直至目标函数值收敛。最后,分别通过模块化桁架结构和机翼结构优化实例展示了该方法的运用效果,并与单独优化结果和加权单目标优化结果进行了对比。结果表明该方法降低了计算规模,收敛效果较好。     

通用型舰载支援飞机的模块化布局设计概念

简要介绍了模块和模块化的基本概念，依据模块化设计的基本思想和步骤对通用支援飞机进行了系统分解和模块划分，详细地描述了通用型舰载支援飞机从系统分解、通用要素提取、非典型要素处理到模块组合的设计思路，从总体角度设计了一种模块化布局的通用型舰载支援飞机，并建立起三维模型。     

基于模态分析的配电产品耐振性优化设计

振动是导致机载电子设备损坏的重要载荷,线路板部件是电子设备的核心部件。在配电产品的设计 阶段,需要对线路板进行动力学分析和抗振优化设计。根据某机载配电产品的方案设计,采用 MSC.Patran和 MSC.Nastran软件对产品结构进行模态分析、振动分析,得到产品的固有频率及振动响应曲线;基于模态分析, 提出不同的优化方案,并进行建模及模态分析。结果表明:通过增加线路板厚度、合理布局线路板上的元器件、 对加强筋进行翻边处理以及在较易发生变形的部位增加螺钉约束等手段,可以提高产品的耐振性。     

高效气动优化设计方法

基于CFD方法开展气动外形优化设计通常计算量较大,采用离散共轭方法计算目标函数梯度,建立了高效的飞机气动优化设计系统。采用NURBS方法对翼剖面几何外形的扰动量进行参数化,避免了对原始外形的拟合,建立了基于NURBS方法的机翼剖面参数化方法。在复杂外形的优化设计中,动网格方法是关键技术之一,采用无限插值方法生成变形后的网格,并提出采用无限插值方法处理部件之间相贯线发生变化的情况。最后开展了翼身组合体+吊舱+挂架等复杂外形的优化设计,成功地减小了阻力,证明了方法的有效性。     

基于代理模型的气动外形平面参数多目标匹配设计

将Kriging代理模型和Pareto遗传算法引入气动外形平面参数匹配设计中,提出一种基于代理模型的多目标平面参数匹配设计方法。将拉丁超立方试验设计用于平面参数筛选,确定出参数匹配方案库;基于方案库的计算流体力学(CFD)分析结果构建Kriging气动代理模型;将Kriging模型替代CFD分析,用于气体布局参数匹配优化设计,提高了设计效率并保证了可信度;通过Pareto遗传算法优化解决多点设计要求下气动布局参数匹配问题,一次性给出参数匹配方案的最优解集,从Pareto前沿中根据设计偏向选择气动布局最佳匹配方案。以典型的双后掠布局平面参数多点匹配优化设计问题作为算例,研究结果表明:Kriging气动代理模型与实际CFD分析结果的误差均小于5%,满足精度要求;根据不同设计偏向,选择了3种参数匹配Pareto优化方案,与原样本方案相比超声速阻力减小6.0%~12.8%,跨声速升阻比增加0.01%~3.40%,证明了匹配设计方法的有效性;通过试验设计的Pareto分析与主、交互效应分析,获得了气动布局平面参数对气动性能影响的定量关系,能够为参数匹配设计提供依据。所提出的平面参数匹配设计方法可应用于其他常规与非常规气动布局型式。     

整体离心叶轮的形状优化设计

本文对离心叶轮的形状优化设计过程进行了研究。提出了整体叶轮结构分析的一种有效的方法, 探讨了其优化数学模型的建立方法, 包括设计变量的选择、目标函数的确定及约束条件的选取。并对某压气机离心叶轮进行了优化, 有效地减轻了叶轮的重量。      

基于遗传算法的复合材料泡沫夹层板铺层优化设计

机翼中泡沫夹芯结构的使用可以有效降低结构元件的重量,因此对复合材料泡沫夹层板的优化设计研究显得十分重要。基于遗传算法设计可以同时进行铺层角度和铺层厚度的优化算法,在该优化算法中采用分区优化技术及浮点数编码对铺层角度和铺层厚度设计变量进行设计。使用上述优化方法对复合材料机翼盒段泡沫夹芯蒙皮进行铺层优化设计,优化后的翼盒重量比优化前降低了38．2％。优化结果表明对复合材料机翼盒段夹芯蒙皮的优化设计可以有效地降低重量,为泡沫夹芯结构的使用提供一定的参考。     

基于MDO策略的民用航空发动机概念设计研究

以某型民用涡扇航空发动机概念设计为例，集成了总体方案（包括热力循环分析、质量评估、噪声评估、氮氧化物排放评估）、风扇（包括气动设计、强度分析）、低压涡轮（包括气动设计、强度分析）3个子系统，以设计点耗油率、整机质量、飞越状态总声功率级、进近状态总声功率级和燃烧室氮氧化物排放量为优化目标，进行了基于多目标的整机多学科设计优化（MDO）的研究。对比研究了单学科可行(IDF)、协作优化(CO)和不对称子空间优化 (ASO)3种典型的优化策略及其在整机MDO中的应用，探讨了整机 MDO的建模方法、子系统间数据传递及解耦方式。结果表明:3种策略优化效率相当，优化时间最大相差742s；CO策略与ASO策略在整机MDO应用中优化效果较好，综合评价指标分别降低了0.82%和0.86%。      

A high-fidelity design methodology using LES-based simulation and POD-based emulation: A case study of swirl injectors

Engineering design is undergoing a paradigm shift from design for performance to design for affordability, operability, and durability, seeking multi-objective optimization. To facilitate this transformation, significantly extended design freedom and knowledge must be available in the early design stages. This paper presents a high-fidelity framework for design and optimization of the liquid swirl injectors that are widely used in aerospace propulsion and power-generation systems. The framework assembles a set of techniques, including Design Of Experiment (DOE), high-fidelity Large Eddy Simulations (LES), machine learning, Proper Orthogonal Decomposition (POD)-based Kriging surrogate modeling (emulation), inverse problem optimization, and uncertainty quantification. LES-based simulations can reveal detailed spatiotemporal evolution of flow structures and flame dynamics in a high-fidelity manner, and identify important injector design parameters according to their effects on propellant mixing, flame stabilization, and thermal protection. For a given a space of design parameters, DOE determines the number of design points to perform LES-based simulations. POD-based emulations, trained by the LES database, can effectively explore the design space and deduce an optimal group of design parameters in a turn-around time that is reduced by three orders of magnitude. The accuracy of the emulated results is validated, and the uncertainty of prediction is quantified. The proposed design methodology is expected to profoundly extend the knowledge base and reduce the cost for initial design stages.     

Towards intelligent design optimization: Progress and challenge of design optimization theories and technologies for plastic forming

Plastic forming is one of enabling and fundamental technologies in advanced manufacturing chains. Design optimization is a critical way to improve the performance of the forming system, exploit the advantages of high productivity, high product quality, low production cost and short time to market and develop precise, accurate, green, and intelligent (smart) plastic forming technology. However, plastic forming is quite complicated, relating to multi-physics field coupling, multi-factor influence, multi-defect constraint, and triple nonlinear, etc., and the design optimization for plastic forming involves multi-objective, multi-parameter, multi-constraint, nonlinear, high-dimensionality, non-continuity, time-varying, and uncertainty, etc. Therefore, how to achieve accurate and efficient design optimization of products, equipment, tools/dies, and processing as well as materials characterization has always been the research frontier and focus in the field of engineering and manufacturing. In recent years, with the rapid development of computing science, data science and internet of things (IoT), the theories and technologies of design optimization have attracted more and more attention, and developed rapidly in forming process. Accordingly, this paper first introduced the framework of design optimization for plastic forming. Then, focusing on the key problems of design optimization, such as numerical model and optimization algorithm, this paper summarized the research progress on the development and application of the theories and technologies about design optimization in forming process, including deterministic and uncertain optimization. Moreover, the applicability of various modeling methods and optimization algorithms was elaborated in solving the design optimization problems of plastic forming. Finally, considering the development trends of forming technology, this paper discusses some challenges of design optimization that may need to be solved and faced in forming process.     

飞机总体优化设计的新进展

回顾飞机总体优化设计的传统方法 ,介绍多学科优化方法在飞机设计中的应用状况和最新发展。重点讨论为解决设计变量过多和计算耗费太大问题提出的试验设计和响应面近似法以及带不确定性多学科优化的鲁棒设计方法。提出飞机总体优化设计的一些关键研究领域 :气动—结构、气动—隐身、结构—主动控制等 ,最后展望多学科优化在飞机总体设计中的应用前景     

飞机复合材料起落架舱门优化设计

蜂窝夹芯复合材料逐渐取代铝合金成为舱门的首选材料,其刚度设计及结构减重在飞机的结构设计中十分重要。通过参数化建模建立了蜂窝夹芯结构复合材料舱门的有限元模型,并进行起落架舱门的模拟计算。在打开和关闭两种工况下以刚度和强度为约束,优化舱门的几何结构和复合材料参数。建立代理模型后采用多岛遗传算法和序列二次规划相结合进行优化,实现了蜂窝夹芯结构复合材料舱门的优化设计。通过优化设计,所得到的舱门比原铝合金舱门具有更高的强度和刚度。优化后复合材料舱门重量比优化前下降了11.5%,比铝合金舱门减少了39.6%,起落架舱门总重量明显降低。同时,建立代理模型后再优化的方法优化效率高,解决了多优化变量下找不到最优解的问题。