空射弹道导弹助推段弹道设计与优化

在弹道优化设计研究中,针对空射弹道导弹弹道优化两点边值问题解析求解困难且对参数敏感的问题,基于将过程优化问题转化为参数优化问题的思想,采用了飞行程序角设计的参数优化方法。根据空射弹道导弹亚声速水平发射的特点,首先基于动力特性设计了其助推段飞行程序角模型,确定了恰当的控制变量参数化结构,在满足飞行过程的多种约束条件下,建立了弹道优化模型,引入序列二次规划法对其进行优化计算,从而实现了对确定优化目标的轨迹快速生成。仿真结果表明,弹道优化计算时间缩短,收敛速度明显提高,可在原有设计基础上,提升优化指标16%,验证了该方法的有效性。     

吸气式空空导弹外形多学科一体化优化设计

针对采用整体式固冲发动机的吸气式空空导弹外形气动与推进耦合的推阻匹配设计难题,引入多学科优化设计方法提出了一种综合考虑气动/推进/质量/弹道的导弹外形多学科一体化优化设计技术。其中,气动性能预测采用代理模型技术,主要基于外形参数化建模、非结构网格技术和流场精细数值计算来自动构建气动数据库,据此建立了包含外形几何信息的气动预测代理模型,并对其预测精度进行了验证;推进性能预测采用推进求解模型,该模型根据固冲发动机理论建立,精度满足工程要求。对所建立的学科预测模型完成一体化集成后,以质点弹道仿真评估的战技指标为优化目标,对一款吸气式空空导弹进气道和翼面外形进行了优化设计,取得了推阻匹配的优化外形,优化后导弹动力射程提高10%。所提出的一体化优化设计技术,有助于吸气式空空导弹外形气动与推进耦合推阻匹配设计和提高导弹动力射程。     

基于自适应滑模与模糊控制的导弹直接力/气动力复合控制系统优化设计

 针对导弹直接力/气动力复合控制问题,提出了一种基于自适应滑模控制(ASMC)与模糊逻辑的自动驾驶仪设计方法。该方法将整个导弹控制系统分为气动力控制子系统(ACS)和直接力控制子系统(RCS)两部分。前者采用自适应滑模控制理论进行设计,利用其所具有的强鲁棒性优点,克服了包括参数摄动与外界扰动在内的各类不确定性因素的影响。后者通过基于规则的模糊推理来确定不同条件下直接力作用的大小,以辅助提高气动力子系统的性能。在控制系统结构确定的条件下,利用遗传算法(GA)对各参数进行优化,实现了两个子系统之间的协调工作。仿真结果表明,所提出的控制方案对机动指令具有较好的跟踪效果,适用于直接力/气动力复合控制导弹的控制系统设计。     

随机-有界混合不确定性下结构可靠性优化设计

在结构可靠性分析和设计中,往往无法将所有不确定性参数均作为概率随机变量,存在部分不确定性分布特征不明确而仅知其扰动界限的情况.基于概率模型与多椭球模型的混合不确定性描述,以标准U空间中扩展定义的混合可靠性指标为约束条件,建立了随机不确定性和有界不确定性并存情况下的结构可靠性优化数学模型.利用功能测度方法对原优化模型进行...     

基于移动渐近线方法的结构多刚度拓扑优化设计

基于人工密度指数法,结合序列分层优化方法和折衷规划法,提出并建立了一种求解复杂工况下连续体结构多刚度拓扑优化设计问题的多目标混合优化策略。连续体结构的多刚度拓扑优化设计问题本质上是一种非线性数学规划问题,以数学规划方法中的移动渐近线方法为基础,提出一种具有较佳全局收敛性和单调性特点的序列凸规划近似方法,该法对于目标函数复杂和多约束的拓扑优化问题具有更好的适定性。通过典型的数值算例证明了所研究方法的有效性。     

Adaptive control for feedback-linearized missiles withuncertainties

A robust adaptive control scheme is proposed that can be applied to a practical autopilot design for feedback-linearized skid-to-turn (STT) missiles with aerodynamic uncertainties. The approach is to add a robust adaptive controller to a feedback-linearizing controller in order to reduce the influence of the aerodynamic uncertainties. The proposed robust adaptive control scheme is based on a sliding mode control technique with an adaptive law for estimating the unknown upper bounds of uncertain parameters. A feature of the proposed scheme is that missile systems with aerodynamic uncertainties can be controlled effectively over a wide operating range of flight conditions. It is shown, using Lyapunov stability theory, that the proposed scheme can give sufficient tracking capability and stability for a feedback-linearized STT missile with aerodynamic uncertainties. The six-degree-of-freedom nonlinear simulation results also show that good performance for several uncertainty models and engagement scenarios can be achieved by the proposed scheme in practical night conditions     

具有随机不确定性的机翼颤振优化

针对不确定性参数在颤振优化分析中的影响,提出了一种含颤振约束的、具有随机不确定性的机翼气动弹性优化设计方法.在MSC.NASTRAN平台上建立了结构的动力学模型、采用ZAERO程序进行了非定常气动力计算与颤振分析,用响应面方法计算了隐式失效功能函数,以重量最小为设计目标,对包含颤振概率约束的复合材料机翼进行了优化设计....     

考虑放宽静稳定度的民用客机气动优化设计

为了更加有效地减小民用客机考虑配平约束后的阻力,针对典型跨声速民用客机机翼-机身-平尾构型研究了不同静稳定度下的气动优化设计,并总结出在民用客机的减阻设计中考虑放宽静稳定度具有较大的减阻潜力。通过自由型面变形(FFD)技术对全机外形进行参数化,实现机翼型面的变形,进行气动优化设计并改变平尾的偏转保证全机能够力矩配平。采用基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的离散伴随方法求解目标函数对设计变量的梯度,然后基于序列二次规划算法进行基于梯度的气动优化设计。基于CRM(Common Research Model)构型,针对不同参考重心位置进行了考虑配平约束的减阻优化设计研究,验证了优化设计系统的有效性,算例结果表明,随着重心位置后移即放宽静稳定度,优化构型配平阻力减小,外翼段前缘吸力峰值明显降低且双激波的强度得到有效减弱,此外机翼的升力系数分布更加贴合最佳升力系数分布。     

导弹的直接力/气动力控制系统设计

针对临近空间大气稀薄、防空导弹获得气动力较小的问题,提出了一种直接力/气动力复合控制系统设计方案。首先建立了导弹的气动控制系统模型,然后建立了采取轨控方式的直接力控制系统模型。以弹目相对距离作为直接力控制系统开启的判断条件,输出脉冲直接力,将气动力和直接力的控制作用叠加,构成了直接力/气动力复合控制系统,弥补了导弹末制导末段气动过载较小的不足,提高了导弹的制导精度。通过具体的仿真实例及定性分析,验证了该复合控制系统设计方案的有效性和可行性。     

Launch Envelope Optimization of Virtual Sliding Target Guidance Scheme

This paper presents an optimization of the performance of a recently proposed virtual sliding target (VST) guidance scheme in terms of maximization of its launch envelope for three-dimensional (3-D) engagements. The objective is to obtain the launch envelope of the missile using the VST guidance scheme for different lateral launch angles with respect to the line of sight (LOS) and demonstrate its superiority over kinematics-based guidance laws like proportional navigation (PN). The VST scheme uses PN as its basic guidance scheme and exploits the relation between the atmospheric properties, missile aerodynamic characteristics, and the optimal trajectory of the missile. The missile trajectory is shaped by controlling the instantaneous position and the speed of a virtual target which the missile pursues during the midcourse phase. In the proposed method it is shown that an appropriate value of initial position for the virtual target in 3-D, combined with optimized virtual target parameters, can significantly improve the launch envelope performance. The paper presents the formulation of the optimization problem, obtains the approximate models used to make the optimization problem more tractable, and finally presents the optimized performance of the missile in terms of launch envelope and shows significant improvement over kinematic-based guidance laws. The paper also proposes modification to the basic VST scheme. Some simulations using the full-fledged six degrees-of-freedom (6-DOF) models are also presented to validate the models and technique used.     

支撑翼布局客机总体参数对结构重量的影响

针对支撑翼布局客机在总体设计阶段对结构重量分析评估的需求，建立结构重量与支撑翼总体参数之间的定量描述关系。利用有限元分析求解工程梁模型的方法建立考虑静强度和颤振约束的支撑翼结构分析模型，采用全速势方程加边界层修正的方法建立气动载荷计算模型，在此基础上建立支撑翼总体参数与主承力结构尺寸的优化流程，实现支撑翼结构概念设计优化及重量分析。以支撑翼客机为对象的算例研究表明，应用这一优化流程能够分析总体参数对结构重量的影响规律，并实现定量描述，可以为支撑翼布局客机概念方案设计提供技术支持和数据参考。     

基于耦合伴随方法的串/并行气动结构优化设计对比

采用RANS方程、线性有限元分析手段、映射点局部插值方法和逆距离动网格技术对气动和结构之间的耦合现象进行了分析。然后基于气动结构耦合伴随方法，对气动和结构设计变量梯度进行了高效求解。最后结合自由曲面变形技术、梯度优化方法构建气动结构优化设计框架。选取飞翼布局民用客机开展气动结构串行与并行优化设计研究。在相同阻力水平的前提下，并行优化结果比串行优化获得了8.4%航程收益和8.3%结构质量收益。同时，串行优化设计结果在中翼段上翼面仍然存在明显激波，而并行优化结果呈现光滑的等间距等压线分布特征。因此并行气动结构优化设计方法可以充分挖掘气动结构耦合下的设计潜力，更有利于对大柔性气动结构优化设计问题进行研究。      

微小型航空燃气轮机离心叶轮拓扑优化设计

离心叶轮是微小型航空燃气轮机中的关键部件,要求其在满足气动性能的前提下,尽量减轻结构重量,传统设计制造技术已基本发挥到极致,但增材制造技术及拓扑优化设计方法的发展为其进一步优化设计拓展了新的空间。针对某型航空微型燃气轮机离心叶轮减重设计问题,依托增材制造和拓扑优化设计技术,在现有设计的基础上,首先对离心叶轮进行静强度分...     

基于再入轨迹和气动热环境的返回舱烧蚀研究

针对再入全过程合理预测热防护罩表面材料烧蚀深度和温度的动态变化问题,提出融合再入轨迹、气动热以及Newton-Raphson和三对角矩阵算法（TDMA）构建动态烧蚀的方法。该方法建立直入式和跳跃式三自由度再入轨迹,应用修正的牛顿流体理论估算气动参数,以及修正的Fay-Riddell和Sutton-Grave理论计算驻点区域的热流密度,利用一维非线性热传导方程模拟了热防护材料的烧蚀过程。仿真结果表明：此方法实现了再入全过程热防护材料烧蚀深度和温度连续动态变化的预测,同样适用于更为复杂结构飞行器的动态烧蚀预测,与热平衡积分法（HBI）相比其结果可靠合理,为进一步优化热防护系统（TPS）提供了一定的参考依据。     

基于再入轨迹和气动热环境的返回舱烧蚀研究简

 针对再入全过程合理预测热防护罩表面材料烧蚀深度和温度的动态变化问题,提出融合再入轨迹、气动热以及Newton-Raphson和三对角矩阵算法（TDMA）构建动态烧蚀的方法。该方法建立直入式和跳跃式三自由度再入轨迹,应用修正的牛顿流体理论估算气动参数,以及修正的Fay-Riddell和Sutton-Grave理论计算驻点区域的热流密度,利用一维非线性热传导方程模拟了热防护材料的烧蚀过程。仿真结果表明：此方法实现了再入全过程热防护材料烧蚀深度和温度连续动态变化的预测,同样适用于更为复杂结构飞行器的动态烧蚀预测,与热平衡积分法（HBI）相比其结果可靠合理,为进一步优化热防护系统（TPS）提供了一定的参考依据。     

仿生微扑翼飞行器机构动态分析与工程设计方法

以工程应用为背景,从全局的角度提出了一种仿生微扑翼飞行器的动态分析与设计方法。在对鸟类的飞行参数进行统计分析的基础之上,拟合出扑翼飞行的仿生学公式,并据此进行了微扑翼飞行器的仿生学初步设计。根据仿生学结果设计了飞行器的传动布局、动力方案以及总体结构,并按照运动学分析、气动力分析以及动力学分析相结合的动态分析方法研究了微扑翼飞行器的动态特性。在动态分析的基础上进行了飞行参数的优化设计,使得微扑翼飞行器达到性能最佳。样机制作及风洞试验结果证明了这种方法的有效性与可行性。所得研究结论对微扑翼飞行器的设计、制作和应用提供了一定的理论依据。     

应用动态逆和时间尺度分离的BTT导弹控制

基于简化的ＢＴＴ导弹控制设计模型,应用非线性动态和时间尺度分离方法设计了一种非线性ＢＴＴ导弹自动驾驶仪,根据导弹实际的飞行高度和飞行速度,可以计算出导弹动力学系数的标称值,非线性动态逆法正是基于这些动力学系数的标移值,适适合于控制导弹作大空域飞行,六自由度仿真结果一步验证了方法是正确的与有效的。     

协同优化在机翼气动／结构一体化设计中初步应用

探讨协同优化方法是否能有效地解决机翼气动 结构一体化设计优化问题。首先对基本的协同优化和基于响应面协同优化二种方法的特点进行了探讨,然后以轻型飞机机翼气动 结构一体化设计为例,着重研究如何用协同优化方法建立机翼气动 结构一体化设计的优化模型。研究结果表明,基本的协同优化算法不能有效地解决该机翼气动 结构一体化优化问题,而基于响应面的协同优化方法在求解这一问题时具有较好的鲁棒性。     

基于自动核构造高斯过程的导弹气动性能预测

在导弹的初期设计阶段,通常需要对导弹的气动性能进行快速粗略评估。针对传统工程估算软件计算精度低和CFD方法计算代价大的缺陷,提出一种基于高斯过程回归（GPR）代理模型快速预测典型导弹气动性能的方案。以导弹外形参数和攻角作为模型输入,升力系数、阻力系数和力矩系数作为模型输出,对GPR模型的气动性能预测结果进行分析。首先,与其他常用代理模型的预测精度对比,GPR模型对3种系数的预测误差分别仅为0.24%、0.36%和0.36%,高于其他代理模型的预测精度。其次,考虑GPR模型核函数选择严重依赖人工先验知识的问题,采用了一种自动核构造算法,无需先验知识即可从数据中自动学习核函数。将该算法嵌入GPR框架中,与传统GPR模型比较,实验结果表明：基于该算法的GPR模型对3种系数的预测误差分别降低到0.10%、0.22%和0.17%。最后,给出导弹气动性能快速预测的应用实例,结果表明所提出的GPR模型的导弹气动性能预测方案是有效的,能够满足设计初期快速且精确的气动性能预测需求。     

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%.