某卫星平台多结构工况下的优化设计

采用航天器结构优化系统ESSOSⅡ(Engineering System of Structural Optimization for Spacecraft),对某复杂卫星结构进行了以重量最轻为目标、以其中复合材料板件的铺层厚度为设计变量的优化设计,考虑发射(收拢)和在轨(展开)2种结构工况下的基频和应力等约束条件.基于2种结构工况下的有限元模型,采用二级多点逼近寻优算法进行优化求解,每一次优化迭代过程中均需对各结构工况模型作有限元分析.优化后结构重量比初始设计有明显降低,且满足收拢、展开结构工况中的所有约束条件,为卫星结构分系统的改进设计提供了依据,同时进一步验证了ESSOSⅡ系统的有效性.     

大展弦比柔性复合材料机翼的气动弹性剪裁

在考虑结构几何非线性、气动非线性影响的基础上,由气动弹性问题的最普遍方程,获得大展弦比柔性复合材料机翼颤振问题的非线性稳定性分析方程.使用解析方式推导得到机翼的临界颤振速度、颤振频率对于设计变量的灵敏度表达式.展示了复合材料机翼的铺设构型和铺层角对气动弹性特性的影响,指出产生负弯扭耦合效果的机翼截面构型有利于机翼的气动弹性性能.以机翼颤振速度作为目标函数,复合材料铺层角为设计变量进行了气动剪裁优化设计,在得到最优化的铺层构型和铺层角的同时,也比较了本文解析敏度和数值差分敏度得到的优化结果.      

卫星桁架结构跨尺度热—力耦合优化设计与分析

卫星飞行过程中,高精度测量设备的复合材料支撑结构经历多种温度环境,影响结构的热稳定性。为对其热学性能进行研究,综合考虑热—力耦合优化设计,首先,发展了复合材料热膨胀系数跨尺度数值模型。在微观模型中,通过建立代表性体积单元(Representative Volume Element,RVE)模型,由纤维热膨胀系数计算得到单向复合材料热膨胀系数;建立复合材料构件宏观模型,采用微观模型计算得到的热膨胀系数对宏观模型进行分析与计算。为验证复合材料热膨胀系数跨尺度数值模型的正确性,对复合材料管件的热膨胀性能进行了试验测试,测试结果与数值计算结果具有很好的一致性。其次,对卫星桁架杆件进行热稳定性优化设计与分析,综合考虑管件的热膨胀系数与刚度的约束条件,采用具有二阶收敛特性的共轭梯度法对复合材料构件的铺层进行优化设计,发展了复合材料桁架结构热—力耦合优化设计流程。最后,针对某卫星天线桁架支撑结构进行了定热膨胀系数设计与分析,结果表明采用跨尺度热—力耦合优化设计方法得到的热变形量远小于天线支撑结构给定的指标。该方法可用于卫星复合材料桁架结构热稳定性设计与分析。     

应用免疫遗传算法优化设计层合板铺层顺序

应用遗传算法对复合材料层合板的铺层顺序进行优化设计,并通过免疫机理解决基本遗传算法中存在的收敛效率低、"早熟"等问题.以层合板的面内几何因子和弯曲因子为优化对象,建立遗传算法的优化模型.通过交叉、变异等遗传操作,搜索问题的最优解.借助免疫系统对抗体的促进和抑制机制,调节种群中个体的多样性.数值算例中给定了层合板的面内几何因子和弯曲因子,应用免疫遗传算法求解层合板的最佳铺层顺序.并将应用免疫遗传算法与标准遗传算法得到的优化结果进行了比较,证明了免疫遗传算法的优越性和实用性.     

混合遗传算法在气动弹性多学科优化中的应用

利用遗传/敏度混合优化算法对复合材料前掠翼飞机进行气动弹性剪裁设计研究.在满足强度、位移、升力效率、副翼效率、发散速度和颤振速度等约束条件的前提下,以机翼复合材料蒙皮铺层的厚度为设计变量,对蒙皮进行重量最小化设计.研究表明,在飞机结构初步设计阶段单纯使用基于敏度的优化算法,很难满足设计上的要求;使用遗传/敏度混合优化算法可以取得较好的结果,该方法适用于飞机结构初步设计.还研究了偏轴角对优化重量的影响.分析结果显示,对于文中所研究的这类蒙皮使用由0°、90°和±45°纤维组成的铺层的复合材料前掠翼飞机,在满足多个约束条件的前提下,其优化重量对于偏轴角的变化相对不敏感.      

复合材料格栅结构优化设计中的计算智能技术

针对复合材料格栅结构优化设计多变量、多约束、连续和离散混合变量、高度非线性的难点,提出了用进化神经网络来实现结构设计参数(输入)与结构响应参数(输出)的全局非线性映射关系,以此来代替优化过程中的有限元计算,以提高优化效率.以遗传算法为优化求解器,神经网络屈曲稳定性响应面为主要约束,对复合材料格栅加筋结构进行优化.结果表明,在相同样本数的情况下,进化神经网络可获得比BP网络更高精度的映射模型,具有很强的泛化能力.该方法可以为解决大型复合材料结构优化问题提供一条高效途径.      

基于伪谱法的小天体最优下降轨迹优化方法

针对小天体着陆探测下降阶段的多约束轨迹优化问题,基于Gauss伪谱法进行了燃耗最优下降轨迹优化设计,得出了燃耗最优下降轨迹。建立了小天体下降轨迹优化问题的最优控制问题模型,采用Gauss伪谱法进行离散化,转化为非线性规划问题进行了求解。数学仿真结果显示:优化结果符合各项约束条件,以零速度到达了目标着陆点,且符合燃耗最优的优化目标。利用Gauss伪谱法进行小天体最优下降轨迹优化,计算速度快,求解精度高。     

防空导弹动能杀伤多层弹道优化MDO算法应用

为了有效的毁伤目标,依据多层次优化方法提出了以杀伤概率优化为目标的防空导弹多层弹道优化模型.整个模型分为3层:导弹中制导段、导弹末制导段以及钨动能杆杀伤增强器动能毁伤目标阶段.将一个层次视为一个子系统,多层次弹道优化问题实质上就是多学科设计优化问题.通过系统分析与学科分析,提出了基于多学科设计优化理论和方法的多层弹道优化解决方法,用基于全局灵敏度方程的优化方法和一体化方法求解了系统优化问题.结果表明:两种方法都能有效解决多层次弹道优化问题,一体化方法的结果要更好一些.     

构架天线四面体桁架单元精度分析与多目标优化设计

为了减小加工装配误差对天线桁架精度的影响,解决含随机变量的优化问题,综合考虑了杆件加工装配误差正态分布特性对精度的影响,通过最小势能原理求解得到了含杆件误差的构架天线桁架单元的平衡状态,采用蒙特卡洛方法对杆件误差变化对型面精度的影响开展了分析,得到杆件随机误差下的平均精度。为提高计算效率,建立了以杆件长度公差为设计变量、以桁架型面精度和加工成本为目标函数的代理模型,通过多目标遗传优化算法进行了公差优化设计,得到了代理模型误差小于8%的多组公差设计方案。其中平均精度最小达到了0.013mm,并且分析结果显示腹杆影响显著大于底杆。     

考虑多巡航工况的大型飞机气动弹性优化

针对目前大型飞机机翼常见的单点优化设计方法在考虑多巡航工况情况下非设计点性能较差的问题，提出了一种多工况气动弹性综合优化框架，考虑了不同的巡航工况，对大型飞机复合材料机翼开展气动弹性优化的研究。以最小机翼结构质量为目标，在气动弹性、应力/应变、强度等条件的约束下，通过遗传算法对机翼型架外形的蒙皮、腹板、凸缘等复合材料部件的铺层厚度展开设计，并根据优化结果进行了型架外形设计，采用高精度CFD/CSD耦合方法分析和校验了优化结果的升阻特性。研究表明:在不低于设计巡航外形气动性能的条件下，综合多巡航工况的气动弹性优化能有效减轻结构质量，从而减少整体燃油消耗。进一步对比分析了多巡航工况优化与单巡航工况优化，研究了巡航工况数目与优化结果之间的关系，结果表明:综合考虑多巡航工况的优化结果性能更好，且优化结果的整体性能随着优化巡航工况数目的增加而提升。      

磁悬浮控制力矩陀螺框架结构的拓扑优化设计

建立磁悬浮控制力矩陀螺框架结构的有限元分析模型,对控制力矩陀螺框架结构进行模态分析,阐述了框架结构优化设计的基本思路.结合双向渐进优化算法拓扑优化理论,基于通用有限元分析软件ANSYS的参数化设计语言和二次开发语言,开发了连续体拓扑优化模块.以框架结构的最低阶频率值为约束条件,以框架结构质量最小为优化目标,引入名义应力的概念,建立框架结构固有振型与名义应力的关系,实现了磁悬浮控制力矩陀螺框架结构的动态拓扑优化,扩展了双向渐进优化算法的应用范围.优化后的结构构型具有更为合理的质量和刚度布局,频率提高11.49%,质量减少5.65%.     

基于改进MOPSO算法的区域侦察弹性星座重构方法

针对区域侦察弹性星座重构问题，提出了基于改进多目标粒子群优化算法(multi objective particle swarm optimization，MOPSO)的区域侦察弹性星座重构方法。该方法采用一箭多星发射和在轨卫星相位机动相结合的方式对受损星座重构。首先选取了星座覆盖、重构成本、重构时间和星座弹性四方面的指标；其次对一箭多星发射过程和卫星相位机动过程进行了分析，对失效轨道面内剩余正常卫星采取均匀相位的策略。以恢复原有星座性能为目的，考虑最大重访时间、重构成本、重构时间及弹性，建立了重构时间和重构成本最优的重构优化模型。最后对MOPSO算法进行了改进，提出了基于学习机制的种群更新策略，通过变量转化将离散变量转化为连续变量，解决了重构优化模型中混合变量优化问题。针对某一受损星座进行仿真，重构时间最优的重构方案为发射6颗新卫星结合在轨卫星均匀相位；重构成本最优的重构方案为发射4颗新卫星结合在轨卫星均匀相位。案例表明提出的重构方法有效，可为侦察星座的建设提供参考。     

倾转旋翼无人机最优过渡倾转角曲线

建立了典型三点式倾转旋翼无人机动力学模型,针对过渡过程,开展最优倾转角曲线研究以减小横侧控制耦合对纵向运动影响和过渡过程能耗。基于倾转角曲线对过渡过程的影响分析,提出了改进运动剖面算法对倾转角曲线进行参数化设计;并提出两阶段优化方案来对参数进行优化。第1阶段,综合考虑横侧控制耦合度最低和过渡过程能耗最小目标,以曲线参数为优化变量,构建了最优倾转角问题模型,采用遗传算法进行优化求解。第2阶段,引入舵机动力学模型,考虑过渡时间和系统超调进一步优化以减小结束阶段的超调。与2种现有典型倾转角曲线对比结果表明:给定过渡时间,设计的最优倾转角曲线有效地降低横向控制耦合程度和过渡过程的能耗,且减小结束时超调。      

引入多Agent协商的协同优化在卫星设计中的应用

卫星设计是复杂的多学科优化问题,协同优化算法具有模块化特点适合于处理多学科优化问题。在对卫星进行多学科优化时发现,现有的协同优化算法为了保证共享变量在系统级和分系统级间的一致性,收敛困难,计算量大,不对分系统自身进行优化不能保证卫星整体性能最优。本文通过引入Agent概念和基于Agent的协商算法,提出了一种基于劝说式多Agent协商的协同优化设计算法。针对对地观测卫星,以总质量最小为目标,建立了包含结构、轨道控制、姿态控制和电源4个分系统Agent和1个系统级Agent的卫星优化设计模型并进行了协同优化设计。研究结果表明:引入Agent协商算法的协同优化算法,可以保证共享变量的一致性;在协同优化算法中增加分系统自身优化模块,可以保证在系统级优化过程中各分系统一直都是最优的。      

卫星多波束天线赋形波束的最优化计算

主要介绍了卫星多波束天线的基本原理和数学模型 ;说明了卫星多波束天线赋形问题的本质是一个优化问题 ;用两种可行有效的优化方法——最小 p乘法和最小最大法分别对矩形区域和中国本土进行了赋形 ,并在最后分析了两种算法的优缺点     

HXMT卫星长期任务规划算法

硬X射线调制望远镜（HXMT）卫星是中国首颗空间X射线天文卫星.为充分利用卫星资源,使科学产出最大化,需要进行长期任务规划.长期任务规划是一个复杂的多目标优化问题.通过分析HXMT观测特点和约束条件,建立了HXMT长期任务规划问题模型,并采用贪婪算法加遗传算法对模型进行求解.实例分析结果表明该方法能够有效解决HXMT长期任务规划问题.      

GNSS抗干扰天线阵不一致性对MUSIC算法的影响

由于天线阵元位置、射频（RF）放大器和模数转换器（ADC）等因素的影响,全球卫星导航系统（GNSS）抗干扰天线阵各通道间不可避免地存在着不一致性。首先,利用矩阵中的子空间理论分析了通道的幅度不一致性和相位不一致性对多重信号分类（MUSIC）算法的影响。理论分析结果表明:单干扰情况下通道幅度不一致性会降低MUSIC算法方向图的零陷深度,但不影响零陷位置,相位不一致性对MUSIC算法方向图零陷位置和零陷深度均有影响;多干扰情况下通道幅度不一致性和相位不一致性对MUSIC算法方向图零陷位置零陷和深度都有影响。因此在通道不一致性慢变化的条件下,MUSIC算法利用方向图进行性能评估时需要测出通道幅相偏差矩阵进行方向图纠正。然后,利用仿真的方法对不一致性的影响进行了实验分析,实验分析结果与理论分析结果一致。      

敏捷光学卫星密集区域推扫成像任务规划方法

敏捷成像卫星可以实现利用三轴姿态机动所形成的推扫成像模式,同时可以在机动过程中同步成像。在敏捷卫星成像任务的基础上,建立考虑推扫成像模式的敏捷卫星任务规划模型。通过高斯投影建立球面直线扫描条带的数学生成模型,并利用Matlab现有函数进行优化解算;由于模型解算的复杂性,将整体规划问题分为两层子问题分别进行处理,在条带任务分配中,设计了适用于计算机计算的含有条带分配策略的解算算法;在上层规划中,基于推扫成像的双向扫描特性,设计了基于启发式规则的敏捷卫星任务规划算法;之后,将不可规划条带拆作孤立点目标进行处理,最后通过再合成处理完成整体规划。仿真结果表明,文章所设计的算法可以有效处理实际情况下的敏捷卫星推扫成像任务规划问题。