BLISS研究及其在飞机设计中的应用

研究了两级综合系统分析(BLISS)多学科设计优化方法的结构,通过精心设计的数学算例来测试其效率,并将其应用于某通用航空飞机的总体参数优化问题中,结果与不分解优化的结果非常接近,验证了BLISS方法在飞机多学科设计优化中的有效性。最后,对BLISS方法的收敛性和效率进行了总结和评价,并指出了其需要改进的地方。     

集成BLISCO和iPMA的多学科可靠性设计优化

为解决传统的基于可靠性的多学科设计优化(RBMDO)由于存在优化过程多层嵌套、多学科分析和可靠性分析反复迭代而导致的低效率问题,提出集成两级集成系统协同优化(BLISCO)策略和改进功能测度法(iPMA)的多学科可靠性设计优化方法。首先,基于序列化思想将多学科可靠性设计优化解耦,避免了每次多学科设计优化(MDO)对完整可靠性分析模型的反复调用与迭代。其次,采用高效的更适合复杂工程组织形式的BLISCO策略进行确定性多学科设计优化,摒弃了协同优化的一致性约束和两级集成系统综合法的复杂分析和近似建模问题,提高了计算效率。然后,基于角度更新策略对功能测度法(PMA)进行改进,采用更新角度替代极限状态函数值进行可靠性分析与判别,减少了多学科可靠性分析次数。最后,结合某机型起落架的缓冲器设计实例对所提方法进行验证,结果表明该方法的计算效率较其他方法分别提高了30.93%和19.97%,验证了方法的有效性,且具有工程实用价值。     

飞行器BLISS分布式平台的研究与实现

用matlab和VC 作为开发工具,开发出基于tcp/ip协议和windows socket的适合于飞行器BLISS的软件BLISS Platform。BLISS Platform采用客户端/服务器构架,集成了协作优化算法,是适合于多学科设计优化的分布式计算机网络软件平台。平台的底层通讯模块由VC 程序实现,仿真优化程序由matlab开发,在matlab环境下修改飞行器数学模型就可实现对不同飞行器模型的优化设计。最后用BLISS Platform并行实现了一简单的超音速飞行器概念模型的优化设计,取得了较好的结果。     

基于多层优化策略的涡轮盘叶设计研究

针对涡轮多学科优化设计,将多层优化策略中的重要原则学科自治扩展到组件自治;并结合目前的多学科优化策略BLISS(bi-level integrated system synthesis)2000和CO(collaborative optimization)以及ATC(analytical target cascading),设计出新的多学科优化框架.利用BLISS2000建立了涡轮盘叶的两层双子系统优化框架和两层三子系统的优化框架;结合BLISS2000和CO各自的优点构建了三层三子系统优化框架;从定性的分析角度排除了ATC在涡轮多学科多层优化设计上的应用.通过对比分析,三子系统的多层优化策略的优势主要体现在优化效率方面;层与层之间存在复杂的交互迭代过程导致三层系统往往比双层系统表现出差的精度和效率.      

基于响应面法的并行子空间优化算法改进研究

为了更好地解决飞行器多学科设计优化问题,对传统基于响应面的并行子空间优化算法(RS-CSSO)进行改进:改进基于近似模型,在具有同等计算精度的情况下减少学科分析的次数,采用均匀试验设计代替学科级优化来直接获得性能优良的初始设计样本点;在系统级优化过程中引入自适应近似模型算法,在迭代过程中对两种近似模型的精度进行对比,以相对误差的均值和标准差作为判据,选用精度更高的近似模型来提高系统级优化效率。采用改进的RS-CSSO算法对飞翼布局无人机进行了设计优化,并与传统RS-CSSO算法进行了对比。结果表明,改进的RS-CSSO不但有着更小的计算量,而且得到了更优的结果,可以应用于飞行器设计多学科优化。     

叶片全三维反问题优化设计方法

基于数值求解Navier-Stokes方程,对叶轮机械叶片全三维反问题优化设计方法进行研究.反问题给定叶片表面的静压分布反求叶型,假设叶表网格点有虚拟移动速度,迭代过程中根据叶表的实际静压和目标静压之差来修改叶型.对单排叶栅进行了反问题设计,并给出了初步的优化算例,结果能很好地满足目标静压分布,验证了该方法的有效性,计算的时间和精度也适合进行工程应用.      

航空发动机部件级模型实时性提高方法研究

基于大涵道比涡扇发动机部件级模型,从减少单次流路计算耗时和降低单步流路计算次数两方面研究提高模型实时性的方法。测试并分析了发动机各模块单步计算耗时,通过建立气体热力属性插值表,使模型单次流路计算耗时减少80%,在3.3GHz Intel CPU平台下模型单次流路计算耗时0.02ms,在168MHz STM32F407硬件平台下耗时1.55ms。研究了不同收敛残差对模型流路计算次数及仿真精度的影响。仿真结果表明:相比Newton-Raphson法,Broyden法流路计算次数更少;将迭代求解残差由0.0001调整至0.001或0.005,模型流路计算次数显著减少,低压转速仿真偏差在0.2%以内。     

基于单学科可行法的多学科可靠性设计优化

 近年来对多学科系统中不确定性的研究逐渐增多。针对该问题的计算复杂性,利用序列优化及可靠性评估（SORA）框架,提出用单学科可行（IDF）方法来求解多学科可靠性设计优化（RBMDO）问题。此方法将可靠性分析和多学科设计优化分离开来,分为确定性多学科设计优化和可靠性分析两个问题顺序执行,以提高计算效率。可靠性分析和优化的过程都采用多学科设计优化中高效的方法——IDF方法。最后通过例子验证此方法的有效性,算例结果表明,采用基于IDF的方法,学科1和学科2所用的函数计算次数分别减少了28.9%和25.0%。     

两级固体火箭联合动力装置的参数优化

本文针对某型导弹由两级固体火箭发动机组成的联合动力装置进行九变量寻优计算.通过采用二维抛物线插值方法及合理组织迭代的技巧,解决了庞大的目标函数计算子程序耗时太多的问题;经大量调试,协调寻优步长、罚因子、收敛精度,最后成功地完成了本文的九维寻优计算,得到了能稳定收敛的最优解.所得最优方案比原参考方案的发动机总重减轻7.03kg(约占总重的2%).     

一种采用径向串联方式的组合旋涡泵设计方法

给出了一种采用径向串联方式的两级组合旋涡泵设计方法.该方法首先使用经验系数法对旋涡泵的结构参数进行初步设计,然后采用Hex/Wedge网格单元划分Proe所建立的旋涡泵三维模型的网格;进而通过CFD数值模拟反复迭代优化得出旋涡泵的最终结构参数;最后对组合旋涡泵内流场进行了仿真分析并与试验数据进行了对比分析.对比分析表明在设计点仿真数据与试验数据的相对误差不超过2％,所设计的两级组合旋涡泵达到了预期性能指标.表明该设计方法是可行、有效的.     

基于MDO策略的民用航空发动机概念设计研究

以某型民用涡扇航空发动机概念设计为例,集成了总体方案（包括热力循环分析、质量评估、噪声评估、氮氧化物排放评估）、风扇（包括气动设计、强度分析）、低压涡轮（包括气动设计、强度分析）3个子系统,以设计点耗油率、整机质量、飞越状态总声功率级、进近状态总声功率级和燃烧室氮氧化物排放量为优化目标,进行了基于多目标的整机多学科设计优化（MDO）的研究。对比研究了单学科可行(IDF)、协作优化(CO)和不对称子空间优化 (ASO)3种典型的优化策略及其在整机MDO中的应用,探讨了整机 MDO的建模方法、子系统间数据传递及解耦方式。结果表明:3种策略优化效率相当,优化时间最大相差742s;CO策略与ASO策略在整机MDO应用中优化效果较好,综合评价指标分别降低了0.82%和0.86%。      

惯导系统结构拓扑优化方法研究

针对惯导系统结构拓扑优化问题,提出了一种考虑多工况组合和等效边界处理的优化方法.以惯导系统结构件为研究对象,梳理了不同结构件的载荷工况;以刚度最大为 目标函数,以体积分数、结构频率和最大变形等作为约束条件,研究了变密度拓扑优化方法;以某惯导系统的盖板、惯性台体和外壳体3个结构件为例,进行了优化方法验证.结果表明,与传统设计相比,在满足系统刚度、频率及动态特性的前提下,优化后的3个结构件质量分别减小18.3％、22.6％和18.0％,整体质量减小18.7％,实现了惯导系统结构的轻量化设计.     

基于高拟真度模型的高超声速飞行器静气动弹性优化

为解决基于计算流体动力学(CFD)和计算结构动力学(CSD)高拟真度模型的静气动弹性优化过程中模型更新自动化困难、求解速度慢的难点,提出了基于几何主模型技术的CFD/CSD一体化参数化建模方法和基于网格单元修正的常体积四面体(CVT)数据交换技术,并引入响应面模型来降低气动弹性优化求解难度.通过AGARD 445.6机翼静气动弹性分析对上述方法的可行性和有效性进行了验证;并以某高超声速飞行器为例,采用基于二次响应面的多目标优化算法进行了CFD/CSD气动弹性分析与优化,优化后飞行器升阻比增加16%,结构质量减少9%,且响应面模型精度拟合误差不超过1.5%.计算结果表明:所发展的CFD/CSD一体化参数化建模与优化方法能够有效地解决高拟真度模型的静气动弹性优化问题.      

涡轮多学科优化中的气动设计技术探讨

通过对涡轮多学科优化的分析,讨论了多学科优化中的气动设计技术.提出了基于叶栅特征参数和贝塞尔函数的二维叶栅参数化造型方法,并结合积叠轴的掠、弯形成三维复杂几何叶片成型技术.通过对气动优化过程中的数学模型分析,给出了一般要求的约束条件,并根据不同阶段的气动设计和约束条件提出了分阶段嵌套优化方法.针对三维气动计算,对商用软件CFX进行了二次开发,实现了三维计算的自动分网、建模、求解和后处理.最后,结合具体算例完成的优化设计结果表明,其涡轮效率提高了约2.3%,工作叶片数减少13.21%,叶片叶身总质量下降8.96%.      

翼身融合布局客机总体参数分析与优化

在翼身融合布局客机总体设计阶段,为评估设计方案的总体性能,建立了翼身融合布局客机总体参数综合分析与优化平台,该平台以翼身融合布局客机的几何参数为输入,完成动力、几何、重量、气动、性能和经济性等模块分析,并以此为基础建立优化设计模型。为快速评估设计方案的性能及优化设计效果,动力分析模块采用了部件级分析模型,重量分析模块采用半经验估算方法,气动分析模块采用面元法结合工程估算方法,性能分析模块采用简化运动学方法,优化模型采用可并行计算的子集模拟优化算法。以某555座级翼身融合布局客机方案为例,应用开发的分析与优化平台,完成了总体参数分析,结果表明分析模型合理。在此方案的基础上,以客机的外形参数和发动机海平面最大推力为设计变量,分别建立了以最大起飞重量最小为目标的单目标优化,以及同时以直接使用成本和进场速度最小为目标的多目标优化,单目标优化结果最大起飞重量降低了约7.17%,多目标优化结果表明直接使用成本降低8.77%的同时进场速度会增加3.32%。     

基于图形法的仿生拓扑优化方法

针对图形系统自动生成图形拓扑形式的优势,提出了一种以隐式方式表征结构拓扑形式的分步拓扑优化设计方法。该分步优化方法首先以基结构法（ground structure method）的计算结果为基础,并通过均匀化方法得到设计区域内的离散拓扑信息,利用第一步所得的拓扑数据指导分形系统中每一级新增拓扑结构的生长方向,以类似细胞分裂生长的形式完成整体结构拓扑形式生成。最后以参数化建模方式完成模型的结构有限元的批量计算,并结合进化算法,完成对设计模型的优化。其中第一个案例通过本文仿生方法在多目标优化方法下得到了近似Michell结构的最优拓扑结构,第二个方案中机翼蒙皮的屈曲载荷系数提升了10.61%,并且质量降低了10.85%,验证了本文方法在类平面结构拓扑优化方面的可行性。