基于Kriging方法的航空发动机压气机特性元建模

针对求解航空发动机数学模型时,使用传统的压气机二维特性曲线进行插值计算精度较差的问题,引入了优化技术中元建模的思想,对压气机特性进行模型重构.根据压气机特性数据空间分布的特点,定义元模型的输入输出维数,采用Kriging算法建立了流量和效率特性的代理模型.以某型涡扇发动机为例进行了压气机特性元建模的仿真计算,设定了满足...     

基于自适应代理模型的气动优化方法

气动优化设计中,为了减少优化系统的计算周期,提高搜索效率,引入结构简单、计算量较小的代理模型,而运用有效的插值和选样方法(自适应选样)可以大大减少建立代理模型的时间。因此本文提出了一种基于自适应代理模型的气动优化方法。首先对自适应代理模型进行研究,建立了 Kriging 自适应代理模型和支持向量回归自适应代理模型,这两种自适应代理模型在相同样本点情况下比一般代理模型拥有更高的预测能力,然后将这其应用到翼型优化设计中,取得了良好的优化效果,从而表明这两种自适应代理模型不仅简单实用,而且明显提高了气动分析的计算效率。     

基于Kriging代理模型的锥柱形膜片屈曲载荷计算

基于Kriging代理模型,建立了一种考虑膜片半径与厚度、锥段高度与角度等典型结构特征的计算屈曲载荷的工程方法,并选取典型样本点对模型进行了数值验证.结果表明:基于Cubic相关函数建立的Kriging代理模型预测未知样本点屈曲载荷误差控制在5%以内,较常用的Gauss相关函数更适合建立锥柱形膜片屈曲载荷的Kriging代理模型;此代理模型能准确计算未知样本点的屈曲载荷,减少了繁杂的有限元建模与计算过程;根据设定的屈曲载荷,代理模型可计算各典型特征的参数值,并可作为锥柱形膜片结构优化设计的约束函数或目标函数.      

基于本征正交分解的流场快速预测方法研究

对于飞行器气动设计,通过实验或CFD计算获得所有设计状态处流场信息成本高、耗时长,难以满足工程应用要求。利用基于本征正交分解(POD)降阶模型结合相应的插值方法,只需要通过实验或CFD计算获取有限个数的采样流场,可以快速预测出具有满足精度要求的设计状态处流场信息。首先,证明对POD基系数插值获取预测流场与对采样流场直接插值获取预测流场的等价性,并分析采样流场分布的要求。然后,以三段翼型流场作为研究对象,POD降阶模型分别与三次样条插值和径向基插值结合,实现设计状态处流场信息快速预测。最后,通过将流场预测结果与相同条件下的流场CFD计算结果对比,表明了POD降阶模型结合两种插值方法的各自特性。     

基于双曲正弦函数的拓扑优化在热传导结构设计中的应用

电子设备的热传导结构设计是解决飞机电子设备热防护问题的有效方法,基于经验的传统设计方法存在设计周期长,获得的结果性能并不一定优等问题,因此将拓扑优化应用在飞机电子设备散热设计中,能够快速获取较优的结构布局。建立基于双曲正弦函数(sinh函数)插值模型的热传导拓扑优化数学模型,将该模 型的算法应用于二维、三维热传导算例,并通过 MATLAB编程进行算法实现;该模型与SIMP模型和RAMP模型进行对比,并应用于机载 LRM 模块导热拓扑优化设计。结果表明：基于sinh函数的插值模型较 SIMP插值模型精确,较RAMP插值模型的迭代次数少,能更好地解决热传导结构拓扑优化设计问题。     

基于 Kriging与多点取样算法的压气机特性建模

针对航空燃气轮机流量系数插值建模过程中,获取样本数据时的实验成本较高以及插值模型精度偏低这 2个问题,根据样本点在设计空间中的分布与模型精度的关系,在 Kriging插值模型的基础上,采用把垂距作为设计变量取值标准的取样算法。首先,将样本点与相邻 2点之间连线的垂距与垂距阈值进行比较,筛选出符合条件的数据点,形成候选点集;其次,选用高斯函数判定基础点集和候选点集的相关性;最后,使用该算法筛选后的样本点构建 Kriging插值模型。实验结果表明,该方法使用的样本点为原来数量的 70%左右,并且预测精度得到了提高,该方法是有效可行的。     

Kriging模型及代理优化算法研究进展

代理模型方法由于能显著提高工程优化设计问题的效率,在航空航天及其他领域得到了广泛重视,并逐渐发展成为一类优化算法,本文称其为代理优化（SBO）算法。在现有的代理模型方法中,如多项式响应面、径向基函数、神经网络、支持向量回归、多变量插值/回归、多项式混沌展开等,源于地质统计学的Kriging模型具有代表性,是一种非常具有应用潜力的代理模型方法。以飞行器设计领域的优化问题为背景,介绍了Kriging代理模型及应用于优化设计的理论和算法的最新研究进展。首先,概述了Kriging模型的基本理论和算法,并讨论了影响Kriging模型鲁棒性和效率的几个关键性问题。其次,回顾了Kriging模型理论和算法研究的3个最新研究进展,包括梯度增强型Kriging、CoKriging和分层Kriging模型。而后,分析提炼了基于Kriging模型的代理优化算法的优化机制和优化框架,给出了“优化加点准则”和“子优化”的概念,并介绍了目前常用的几种优化加点准则及其相应子优化问题的求解与约束处理;同时,还介绍了最新提出的局部EI加点准则以及代理优化的终止条件。最后,介绍了代理优化在标准测试函数算例验证、飞行器气动与多学科优化设计典型算例确认方面的研究进展,并对当前存在的一些关键科学问题以及未来研究方向进行了讨论。     

一种考虑截面任意变形模式梁的有限元模型

提出了一种考虑截面完整变形的截面插值梁模型,并用于机翼结构的建模与分析。首先引入截面插值函数——拉格朗日函数描述截面形状,以位移向量为未知变量描述截面位移,在此基础上依据插值理论构造梁单元位移场。不同于传统梁单元通过假定的中性轴的挠度和转角来确定梁截面各点位移,该梁模型摒弃了中性轴假设与平截面假设,通过截面插值函数得到梁截面面内、面外变形;然后通过有限元理论推导了梁单元刚度矩阵与质量矩阵;最后利用截面插值梁单元对机翼各部件进行有限元建模,并展开典型工况下的静力学分析以及动力学分析,与Nastran实体单元计算结果进行了对比分析,验证了该梁模型的有效性,为机翼的结构设计和强度分析提供了一种新的简化建模方法。     

代理模型选样准则研究

致力于针对确定问题,利用其在已知空间中的样本信息指导该问题其他空间中的样本选择.基于Kriging模型和拉丁超立方设计选样方法,以某数学函数为例,首先研究了设计空间大小对样本选择的影响,然后具体分析了样本分布特性对代理模型预测误差的影响.引入了样本平均疏密度、样本稀疏度、样本紧凑度等概念衡量样本特性,依据不同空间中各参数与代理模型预测精度的关系提出了样本稀疏度准则,并以不同维数的数学函数和翼型气动力分析模型验证了准则的准确性和实用性.     

一个改进的软件过程工程元模型ISPEM

对象管理组织(OMG)提出的软件过程工程元模型(SPEM)在软件工程过程领域具有较强的通用性和较好的建模能力。但是，软件过程工程元模型在一致性和表达力上存在不足。本文基于UML2．0活动元模型改进SPEM中活动的语义，采用泛化机制扩大实参的表达范围，细化形参和限制的表达粒度，使得改进的软件过程工程元模型(ISPEM)在语义上与软件工程过程领域的语义更为一致，表达力更强，更加符合软件工程过程领域建模的需要。     

A point cloud deep neural network metamodel method for aerodynamic prediction

Aiming to reduce the high expense of 3-Dimensional (3D) aerodynamics numerical simulations and overcome the limitations of the traditional parametric learning methods, a point cloud deep learning non-parametric metamodel method is proposed in this paper. The 3D geometric data, corresponding to the object boundaries, are chosen as point clouds and a deep learning neural network metamodel fed by the point clouds is further established based on the PointNet architecture. This network can learn an end-to-end mapping between spatial positions of the object surface and CFD numerical quantities. With the proposed aerodynamic metamodel approach, the point clouds are constructed by collecting the coordinates of grid vertices on the object surface in a CFD domain, which can maintain the boundary smoothness and allow the network to detect small changes between geometries. Moreover, the point clouds are easily accessible from 3D sensors. The point cloud deep learning neural network, which employs re-sampling technique, the spatial transformer network and the fully connected layer, is developed to predict the aerodynamic characteristics of 3D geometry. The effectiveness of the proposed metamodel method is further verified by aerodynamic prediction and robust shape optimization of the ONERA M6 wing. The results show that the proposed method can achieve more satisfactory agreement with the experimental measurements compared to the parametric-learning-based deep neural network.     

大中型民用飞机起飞总重估算方法研究

推导了基于发动机推力估算起飞总重和基于旅客座位数估算起飞总重的公式。通过多种大中型喷气式民用客机相关参数的统计值,建立起飞总重对相关参数的多元回归分析模型,通过显著性检验,说明模型是有效的,并据此建立了新的起飞总重估算公式。通过算例结果分析表明,新的起飞总重估算公式具有很高精度。在新机的方案设计阶段若能给定此公式所需的相关参数,可以计算得到相对合理的设计起飞总重值。     

Aeroacoustic and aerodynamic optimization of propeller blades

It is of great significance to develop a high-efficiency and low-noise propeller optimization method for new-generation propeller aircraft design. Coupled with free form deformation method, dynamic mesh interpolation technology, optimization algorithm, surrogate model, aerodynamic calculation and aeroacoustic prediction model module, the integrated aerodynamic and aeroacoustic design method of propeller is built. The optimization design for the six-blade propeller is carried out. The non-reduction in efficiency, thrust coefficient and the minimum of aerodynamic noise is treated as the optimization design objective. The spatial vorticity distribution of the propeller before and after the design is also analyzed by using unsteady computational fluid dynamics method. The results show that the optimized propeller can effectively reduce the aerodynamic noise level. The maximum total sound pressure level can be reduced by 5 dB without reducing its aerodynamic performance. The developed method has good application potential in low-noise optimization design of propeller and other rotating machinery.     

双调和方程在航空离心泵叶型优化设计的应用

为了减少构建代理模型的计算量，提高优化效率，基于双调和方程模型和混合人工鱼群算法对航空离心泵叶型进行优化改型设计。在Matlab平台下分别采用5点4次Bezier曲线和线性函数控制叶型圆周角分布和积叠变化规律，通过软件UG和Fluent的联合批处理方法对15组设计结果进行内流场数值仿真。在曲面插值获得计算空间边界条件的基础上，采用中心差分格式对双调和偏微分方程进行数值求解，建立超曲面性能代理模型。以效率最高为目标函数基于人工鱼群算法对设计变量进行全局寻优。结果表明:基于双调和方程的超曲面代理模型能够保证试验值与预测值完全一致，而优化后的离心叶轮流动中的尾迹效应被明显减弱，水力效率比原型泵提高5.4%。      

基于隐模型跟踪的倾转旋翼机飞行控制

针对倾转旋翼机过渡阶段的强耦合性和快时变性,基于隐模型跟踪法设计了过渡阶段的自主飞行控制律。首先,考虑短舱和旋翼相对机身运动带来的额外惯性力,建立了倾转旋翼机的多体动力学模型;然后,通过飞行动力学特性分析发现倾转旋翼机过渡阶段具有强耦合性和快时变性;最后,针对强耦合性使用隐模型跟踪法实现了固定倾转角时的解耦控制,针对快时变性使用插值调用控制参数的方法实现了倾转旋翼机在整个过渡阶段的连续控制。仿真结果表明,隐模型跟踪控制系统能够达到良好的速度和轨迹跟踪效果,可以实现倾转旋翼机在过渡阶段的自主飞行仿真。     

基于支持向量机的飞行控制系统辨识

以飞机为研究背景,基于系统辨识中的串-并联辨识模型,应用一种支持向量回归机的方法,对飞行控制系统模型进行了辨识。通过仿真,成功地得到了飞行控制系统的辨识模型。结果表明:该方法有很好的预测性能,具有很高的精度,同时也能很好地反映飞行控制系统的特性。     

基于拓扑优化和形状优化的桨叶结构设计

直升机旋翼桨叶剖面结构设计是研究旋翼动力学设计的基础。提出一种联合拓扑优化和形状优化的 两级优化设计方法,可用于桨叶剖面结构的设计。第一级优化以变密度法(SIMP)作为拓扑优化的材料插值方 法,以桨叶体积最小化为设计目标,约束桨叶节点位移和应力,建立桨叶的拓扑优化求解模型;第二级优化以重 构的桨叶模型为基础开展形状优化,降低局部应力集中以及找到合理的边界节点位置。对优化后的模型进行 有限元分析,结果表明:通过拓扑优化和形状优化的两级优化,能够得到满足强度和稳定性要求的结构布局,为 桨叶结构设计提供指导方案。     

地效飞行器重量估算方法

根据地效飞行器(WIG)的特点确定了3类地效飞行器的任务剖面,分析其与一般飞行器任务剖面和相关性能的异同点以及重量估算方法的适用度。通过现有地效飞行器数据和资料的整理,研究其起飞重量与空机重量以及其他各项参数的统计关系。比照一般飞行器重量估算的燃油系数法,确定地效飞行器各任务阶段的燃油系数及其相关计算过程中选择参数的修正。通过数据分析计算起飞重量和空机重量估算中的线性回归值,形成适用于各类地效飞行器的重量估算方法及其推荐经验系数。验算结果证明,A类和B类地效飞行器重量估算结果与实际产品基本相符,C类由于缺乏足够的统计数据,因此难以验算,但实际工程设计应用结果与经验类比法得到的重量估算结果基本一致,表明研究结果能够满足总体设计阶段重量估算的任务要求。     

变壁厚气冷涡轮叶片结构参数化设计方法

叶片叶身截面内腔型线的光滑过渡是航空发动机变壁厚涡轮叶片结构设计的关键.为解决变壁厚插值在最大壁厚点处出现拐点而导致过渡不光滑的问题,提出变壁厚叶片结构设计方法即变壁厚抛物线插值法.该方法基于管道相交投影线拟合中弧线法,利用壁厚系数及其对应关系控制壁厚,实现变壁厚涡轮叶片结构参数化设计.设计实例结果表明:应用变壁厚抛物线插值法对不同壁厚气冷涡轮叶片进行结构设计,叶身截面内腔型线光滑,在最大壁厚点处不会出现拐点过渡.     

基于偏最小二乘回归法的飞机总工时预测模型研究

从影响军用飞机生产制造工时的众多因素中提取出24个飞机总工时影响因素,采用统计学方法结合理论分析对此24个因素进行科学筛选,筛选出飞机最大起飞重量、最大速度、爬升率、最大过载、钛铝合金比例、复合材料与铝合金比例这6个关键影响因素。考虑偏最小二乘回归(PLS)法在处理小样本多元数据方面的优势,采用PLS法对飞机总工时进行预测,预测结果表明PLS预测模型平均检验误差约为10%。该模型在实际使用过程中,只需获得飞机性能指标和材料构成等少数设计参数即可在飞机产品生产制造前对飞机生产制造总工时进行宏观预测,具有参数少、物理意义明晰、操作简单、便于使用、准确率高等特点,可为缺乏详细设计信息和生产信息的飞机研制早期方案优选、设计优化或对其进行费用分析和成本控制、固定资产投资、安排生产计划等工作提供相对准确的飞机产品工时。