高性能航空复合材料结构的关键力学问题研究进展

复合材料具备基于多种材料有机融合后所产生的“1+1>2”的优势，是实现航空飞行器结构轻量化、功能化与智能化的有效途径。然而，由于复合材料高各向异性、结构多尺度化等方面的特征，导致设计、制造及表征评价等方面都存在诸多问题与挑战。高性能复合材料结构在航空装备中的发展是一个涉及力学、材料、机械、控制等多学科融合的交叉性问题。本文针对其中涉及的若干关键力学问题，重点围绕近年来国内外在航空复合材料结构力学设计与性能评估、功能化设计以及制造工艺力学等3个方面的研究进展进行了概述，并对未来航空复合材料结构在这3方面的发展趋势进行了展望。     

地效飞行器双断阶机腹着水砰击过载分析

地效飞行器着水过程中，断阶着水产生的冲击易导致结构表面屈曲或破坏。基于ALE 有限元法，通过罚函数法处理两相界面流固耦合问题，对地效飞行器着水过程进行数值模拟，分析不同前飞速度、下沉速度、俯仰角等参数变化对浸水深度、砰击过载等的影响。结果表明：在研究工况下，机体着水产生的压力峰值均出现在断阶处；随着俯仰角增加水平过载峰值减小，垂向过载峰值先增大后减小，俯仰角为7°时垂向过载峰值最大，是最低过载峰值（俯仰角为15°时）的1.4 倍；前飞速度增加致使水平过载峰值增大，而对垂向过载峰值影响不明显，但垂向过载峰值与垂向速度的平方近似呈线性关系，下沉速度越大，砰击过载峰值越大。     

基于概率滑行时间的航空器离场推出柔性控制

航班离场过程动态多变且高度随机，滑出时间不确定性导致推出时间难以科学配置。为此，研究基于概率滑行时间的航空器离场推出柔性控制问题。首先，采用随机森林回归和核密度估计方法，建立了基于机器学习的概率滑行时间预测模型、超参数调节策略及概率预测性能评价指标体系；然后，引入固定缓冲区概念，提出了离场航空器“推出时刻”柔性控制方法，明确了缓冲区长度对准时到达跑道头概率的作用特性；最后，应用随机规划中的机会约束理论，提出了离场航空器“推出时隙”柔性控制方法，设计了满足机会约束的可行推出时间范围界定规则。实验结果表明：所提方法可对离场航空器概率滑行时间进行科学预测，有效实现传统推出时间刚性控制向多视角柔性控制的灵活转化，可为增强机场离场管制的可预测性和灵活性提供理论方法支撑。     

基于半马尔可夫模型的民用航空发动机热端组件系统检查间隔优化

根据采集的民用航空发动机热端组件系统检修信息和专家对系统退化状态的判别，在系统状态退化过程为离散半马尔可夫链过程的假设前提下，分别建立了基于专家估计数据、基于检查数据以及基于融合数据的各宏观退化状态驻留时间估计模型，并应用最大似然函数法和MCMC（Markov chain Monte Carlo）法对模型参数进行估计，得到基于不同数据源的各宏观退化状态下驻留时间估计值和状态转移系数，并以一定使用周期内的检修费用最优为目标建立状态转移概率模型，仿真得到3个典型宏观退化状态下的最优检查间隔分别为1750、350、70循环。该仿真结果与目前的民航运行生产工程实际情况非常接近，可以为民航运输企业的检修决策提供客户化的决策支持并提高经济效益。      

基于改进NSGA-Ⅱ的停机位预分配优化

随着民航运输业的发展，航班密度不断增加，大型机场的近机位资源紧张问题日益突出，降低了航班保障效率。为了探索大型枢纽机场停机位预分配问题综合有效的解决方法，从航空公司、机场和旅客的实际情况出发，建立多目标停机位分配优化模型，并设计了改进的带精英策略的非支配排序遗传算法（Non-dominated sorting genetic algorithms-Ⅱ，NSGA-Ⅱ）对模型进行求解，得到一组Pareto前沿解。。在交叉和变异操作阶段，对种群个体以指数形式自适应地调整交叉率和变异率，以此提高算法的收敛速度和优良解的多样性。实例验证结果表明，该模型和改进算法相较于人工分配和传统NSGA-Ⅱ算法对停机位指派的优化结果更为突出，尤其在靠桥率和被使用的停机位数量方面；同时利用性能评价指标对比两种算法，发现改进型NSGA-Ⅱ算法更适合停机位预分配问题的求解。     

不同透风率超大型冷却塔台风致内吸力取值

风荷载是超大型冷却塔设计的控制荷载，塔筒内部风荷载取值仅考虑了良态风工况。为研究台风作用下超大型冷却塔内吸力分布特性，采用多重嵌套的中尺度天气研究预报（Weather research and forecast,WRF）模式对台风“鲇鱼”进行高时空分辨率模拟，并借助最小二乘法优化技术拟合得到近地面三维风速剖面。以山西潞安电厂220 m世界最高冷却塔为对象，结合中-小尺度耦合模式嵌套技术对超大型冷却塔进行台风和A类地貌下大气边界层良态气候风的近地面三维风场CFD模拟。在此基础上，探讨了塔内绕流特性、能量分布、阻力系数以及风阻的差异和产生原因，对比分析了冷却塔内表面风压系数三维分布特征，最后给出台风作用下超大型冷却塔内吸力的取值建议。结果表明，采用WRF-CFD耦合模式可以有效模拟台风下超大型冷却塔近地三维风场，考虑0%、15%、30%及100%百叶窗透风率下台风致内吸力系数取值分别为-0.61、-0.36、-0.34和-0.42。     

基于滚动时域控制的多路径进场航班排序优化

进场航班排序优化是提高进场航班着落效率、减少航班延误的有效方法。基于此，以最大化着落效率为目标，结合多跑道、多航路选择，考虑实际航路点限制，提出了多路径多跑道一体化进场航班排序优化混合整数规划模型。为解决大规模航班排序计算的实时性问题，提出了多航路点滚动时域控制算法。以广州白云国际机场终端区为实例进行验证，采用实际进场航班数据开展计算实验，在尾流安全间隔上，采用RECAT-CN运行标准，计算结果表明：小规模航班架次时（23架），所提模型最大降落时间比先到先服务方法提前55 s，比未优化时提前271 s；大规模航班架次时（104架），仅靠求解器在3 600 s内未找到可行解，所提算法在128.65 s找到解。所提模型和算法有效，可应用于实际航班排序优化。     

基于度量学习的机场交通态势弱监督评估

为准确感知机场场面运行环境，提出基于度量学习的交通态势弱监督评估方法。根据机场场面航空器的时空分布类型，从交通流量、起降队列、资源需求等视角构建交通态势指标体系；借鉴度量学习范式，利用预先定义的相似集和不相似集自动学习态势样本之间的距离度量；在此基础上，采用K均值算法实现弱监督条件下交通态势的等级划分。以上海浦东国际机场实际运行数据为例，分析并验证所提方法的有效性。实验结果表明：起始时刻离场瞬时流量、离场累计流量、离场跑道队列长度及进场累计流量的距离系数大于0.5，对场面态势影响较大；与基于欧式距离的K均值算法相比，度量学习将最优轮廓系数提升了33.3%，得到符合预期语义的聚类结果；此外，机场的平均滑行时间越长、跑道配置越复杂，其场面交通态势等级越高。     

基于多智能体航空公司航班恢复协同决策方法

航空公司进行航班延误恢复时，各种资源之间会通过航班计划产生间接关联，此时各决策单元若独立地考虑本领域内的资源恢复问题，将难以保证恢复方案的整体可行性和全局优化性。为探究航空公司航班恢复过程中各决策部门的决策模型及其协同关系，本文提出了基于多智能体技术的航班恢复协同决策仿真方法。首先，基于航空公司实际组织架构构建了航班恢复多智能体决策系统框架；其次，对部门间协同决策的动态过程进行了分析，将延误恢复的全过程分为了预恢复、可行解协商、均衡解协商3个阶段，构建了三阶段协同决策机制；最后，根据不同资源的恢复特性建立各决策部门的核心决策模型与部门间自动协商模型，并基于多智能体系统进行仿真。仿真结果显示，基于多智能体的协同决策方法能够在3.8 s的极短时间内针对1天中包含3架飞机和12个航班的航班计划做出完整的延误恢复方案，并且能够在保障航空公司整体效益的情况下一定程度地平衡各决策主体的自身利益。     

基于空中交通运行水平的航季划分方法

为了优化航班时刻资源的配置，提高民航航班正常性，本文针对大范围空中交通运行水平下的航季划分方法进行了研究。利用动态时间规整算法分析空中交通运行效率指标的月度时间序列相似性，建立航季划分多目标优化模型，运用带精英策略的快速非支配排序遗传算法进行划分求解，并采用带熵值的TOPSIS法对帕累托解进行评价，给出了各划分角度下最优航季划分结果，并分析了不同空中交通运行水平下的航季划分结果及权值设定对结果的影响。结果表明，在综合考虑空中交通运行水平评价指标影响的情况下，随着权值的变动，各划分角度下最优航季划分结果稳定。本文所提出方法不仅适用于大范围空域环境的航季划分，同样适用于探索单个机场运行的航季模式，为民航局和机场科学制定航班计划提供依据。