基于改进CO-RS的平流层飞艇总体设计与优化

为改进响应面协同优化(CO-RS,Collaborative Optimization based on Response Surface)方法的工程实用性,提出改进的CO-RS方法.在响应面建立中应用广义乘子法和信赖域法,取消响应面更新对梯度的依赖性.针对平流层飞艇的总体设计与优化问题,基于改进的CO-RS框架,进行了系统任务分析和学科耦合分析.对气动与推进子系统、结构子系统和能源子系统进行了学科分析,以最小化平流层飞艇的质量为目标,建立基于改进CO-RS框架的多学科设计优化(MDO,Multidisciplinary Design Optimization)模型和相应的学科分析模型.利用iSIGHT软件搭建求解平台,采用改进的CO-RS算法进行仿真计算,并得到合理结果,验证了所建立的MDO模型的合理性和改进的CO-RS算法在平流层飞艇总体设计优化中的有效性.     

对地观测卫星总体参数多学科优化

针对对地观测卫星总体参数设计问题,建立了以对地观测性能最佳为目标的多学科优化模型,考虑姿轨控制、电源、结构、推进、有效载荷5个分系统的设计变量和相应约束条件,并考虑运载火箭对卫星设计的约束条件,通过经验公式建立分析模型.采用协同优化方法,利用外点罚函数法将系统级优化问题转化为无约束优化问题以改善协同优化系统级的数值缺陷,建立了多学科设计优化框架.计算结果表明通过优化可提升卫星的对地观测性能,验证了该方法的合理性.建模思路与优化方法可望用于更贴合工程实际的卫星参数设计.      

基于代理模型的高超声速飞行器协同优化设计

建立了类X-51A高超声速飞行器的多学科模型,包括外形、气动、推进、质量、热流、弹道等学科.采用多学科设计优化(MDO, Multidisciplinary Design Optimization)方法中的协同优化(CO, Collaborative Optimization)进行了计算,计算流程中构建了两个子系统优化器与弹道学科的代理模型,使用代理模型替代了计算耗时的真实模型.同时为了对比,采用了多学科可行法(MDF, Multidisciplinary Feasible Method)进行了优化计算.结果表明,二者的优化结果基本一致,优化之后的飞行器质量比初始构型飞行器降低了15.2%,航程提升了63.5%,并且使用代理模型后计算效率也得到了很大的提升.验证了基于代理模型的协同优化方法应用于高超声速飞行器设计中的有效性.     

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.     

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。      

多学科设计优化中的不确定性建模

不确定性因素对复杂工程系统设计的影响贯穿整个设计过程.对多学科设计优化(MDO,Multidisciplinary Design Optimization)中不确定性的来源进行了总结和归类;建立了包含2个耦合学科的MDO系统分析输出结果的不确定性与设计变量输入数据误差和模型误差之间关系的数学模型,用于计算各种不确定性对系统性能的影响.算例分析结果和实验结果吻合,表明该数学模型有效可靠.经过扩展可用于估算包含多个耦合学科的MDO系统分析输出结果的不确定性,为鲁棒多学科设计优化方法的构建提供理论基础.      

多级固体运载火箭分级多学科设计优化

为了解决固体运载火箭总体优化过程中学科耦合性强、计算复杂、设计效率低等问题,建立了多级固体运载火箭的几何外形、质量、气动、推进、弹道/制导等学科模型,将多级运载火箭分成若干个子级火箭,并通过级间飞行状态连续性条件连接到一起,形成系统级和子系统级的框架。设计了并行方式和串行方式2种子系统的优化流程,以起飞总重最小为目标进行了多学科设计优化(MDO)。结果显示,这2种分级优化的方法与多学科可行(MDF)方法相比能减小优化过程中的迭代次数,得到更好的优化结果,从而验证了分级优化方法在多级固体运载火箭MDO的可行性与优越性。      

基于二级多点逼近算法的航天器结构优化设计

在某新型卫星结构研制的初样阶段,建立了卫星初始设计的有限元模型.以主承力桁架结构中各梁的截面尺寸为设计变量,考虑整星模态频率和强度约束,建立了以结构重量最轻为目标的优化模型.应用二级多点逼近优化算法进行了结构优化计算,在每一个计算周期中,原结构优化问题先转化为具有较高精度的第1级多点近似问题,该问题则通过可由对偶法快速求解的第2级近似问题逼近.经过初步试算、设计改进和再优化3个阶段,设置并进行了一系列的优化计算,逐步明确了设计的方向和各结构参数的取值范围,得到了合理的可行方案,为该卫星平台结构初样的详细设计提供了参考,同时表明所采用的优化方法适用于工程结构优化问题.      

通用再入飞行器多学科协同优化设计

探讨了协同优化方法在通用再入飞行器总体优化设计中的应用以及各学科间耦合关系.对协同优化方法的流程及特点进行了分析,以通用再入飞行器总体优化设计为对象,研究如何利用协同优化方法建立此类问题的优化模型.研究结果表明协同优化方法相对多学科可行法具有较快的收敛速度,主要是由于协同优化方法中的系统级在搜索空间时受到了3个子系统级优化一致性的制约,而3个子系统级并行地对升阻比最大、质量最小、弹道设计中气动加热量最小3个主要影响射程的因素进行了优化,最终共同缩小了设计搜索空间,同时利用学科的独立性进行并行计算,从而较快地实现了迭代收敛.      

ICO多学科设计优化方法

协同优化(CO, Collaborative Optimization)算法在应用中存在计算困难的问题.分析了引起CO算法计算困难的原因;使用L₁范数改进了CO算法的学科一致性约束,避免了学科级目标函数导数的不连续性,并从数学理论上证明了改进的学科一致性约束的收敛性;增加系统级罚函数,使系统级优化问题转化为无约束优化问题;使用快速启动方法,在子系统级优化过程中充分合理利用系统级优化求得的最优解;给出了使用改进的学科一致性约束、系统级罚函数和快速启动方法的ICO(Improved Collaborative Optimization)多学科设计优化方法,较好地克服了CO算法存在计算困难的缺点.标准算例实验结果表明,ICO多学科设计优化方法有效提高了算法的稳定性、可靠性和计算效率.      

燃气发生器身部多学科设计优化

为了探索液体火箭发动机多学科设计优化的一般方法,以液体火箭发动机燃气发生器身部为研究对象,在对其进行面向设计的多学科分析的基础上,建立了燃气发生器身部的多学科优化模型,涉及流动、传热、结构强度3个相互耦合的学科.引入了一种新的多目标方法——物理规划方法处理其中的多目标优化问题,通过类别函数将设计者的偏好转化为优化目标,避免了对各个不同大小和量纲的分目标之间重要性的比较和权衡.优化结果显示,利用多学科设计优化减轻了燃气发生器的质量,改善了原有设计,能够提高发动机的设计水平.      

临近空间飞艇外形优化设计与仿真

以临近空间飞艇为对象,针对传统外形设计方法中存在的问题,提出了新的优化设计方法,搭建了流程框架,编制了优化程序。首先研究了遗传算法及多学科设计理论,进而在此基础上建立了飞艇阻力、体面比、应力模型,利用多学科设计理念对飞艇气动、结构、强度进行了一体化设计。其次将遗传算法引入到优化设计当中,并利用Matlab和Fluent开展了联合仿真研究。最后结合实际应用需求进行了算例分析,验证了该方法的可行性和效果。     

基于混合可靠性分析的协同优化方法

针对在多学科设计优化中进行可靠性分析计算成本高的问题,将两种现有的可靠性分析方法与协同优化相结合,提出一种基于混合可靠性分析的协同优化方法.该方法在协同优化的子系统级进行可靠性分析,并在分析前估算优化迭代点与约束边界的距离,对靠近约束边界的点进行基于一次可靠性方法的可靠性分析,其余点仅采用均值法粗略计算其可靠度, 减少了不必要的可靠性分析成本,并将可靠性分析融入到协同优化的框架中.用优化算例对该方法进行了验证,优化结果表明该方法在保证可靠性精度的前提下,有效提高了优化效率,具有实际工程意义.     

飞机飞行控制律/操纵效率器多学科优化设计

基于近似模型和遗传算法,针对多操纵面布局飞机提出一种对全包线飞行控制律和操纵效率器几何形状与位置进行多学科优化的设计方法.该方法采用力矩控制方式进行控制,应用鲁棒增益调参方法设计全包线飞行控制系统,利用试验设计方法和径向基神经网络响应面获取近似的气动学科模型和控制学科模型,在近似模型基础上由遗传算法获得优化的设计参数并最终获得优化的控制律和操纵效率器.以某多操纵面布局无尾飞机为例进行计算机飞行仿真验证,结果表明该方法具有可行性.      

卫星总体设计部分指标最优分配的一种模型

卫星总体指标合理分配是卫星总体设计的一项重要内容。采用非线性优化方法和卫星总体参数优化中的多目标多学科优化设计方法对卫星总体设计的指标进行了最优分配。结果有效所建的优化模型和所采用的非线性优化方法和多目标多学科优化方法是可行有效的。