基于智能优化算法和有限元法的多线圈均匀磁场优化设计

针对多线圈均匀磁场优化设计中的高阶求导及优化结果可信度评估问题,提出一种基于智能优化算法和有限元法相结合的多线圈均匀磁场优化设计方法。首先,确定待优化参数,并以磁场偏差率作为目标函数;然后,采用智能优化算法对目标函数进行寻优;最后,基于优化得到的结构参数,建立相应的有限元仿真模型,检验优化结果的可信度。以2组亥姆霍兹线圈的结构参数优化为例,仿真结果表明,本文方法求得的最优参数优于传统的求导方法寻优得到的参数,且经过有限元法检验后,该优化结果的可信度得到了确认。      

基于准则的大展弦比飞翼气动设计

从设计实际出发,为切实提高气动性能,开展了大展弦比飞翼无人机(UAV)的气动设计及分析研究.在设计分析过程中,依据飞翼无人机的特征,提出了气动设计准则;基于设计准则,采用更新设计的策略,结合变可信度数值模拟、代理模型优化方法构建了优化设计框架;针对飞翼无人机开展了参数化表达、无限插值网格自动生成以及多轮更新优化,得到了优化推荐构型;应用γ-Re_θt转捩模型方法对优化构型的气动性能进行了细致地验证分析.研究结果表明:通过气动设计,飞翼无人机设计构型很好地契合了设计准则,其巡航升阻比相比最初的原始构型提高了14%,γ-Re_θt转捩模型能较细致地分析大展弦比飞翼的流动特征.      

基于现代实验设计技术的巡航导弹概念设计

采用跳跃弹道空地巡航导弹为算例,研究了新型实验设计技术,即拉丁化近正交海默斯利序列取样法,在多学科设计优化中的应用.应用该实验设计方法进行了实验设计,并对取样结果与传统拉丁方取样进行了对比;基于支持向量机构建了学科近似模型,通过对验证数据的回归分析,检验了支持向量机响应的可靠性.应用该近似模型对算例进行多学科设计优化,并通过与精确模型的对比,检验了该近似模型的准确性.拉丁化近正交海默斯利序列取样法是一种高效的现代实验设计方法,在相似的实验条件下比传统拉丁方设计具有更好的正交性和均匀性,在复杂系统多学科优化设计中具有很大的应用价值.      

TB5钛合金凸弯边橡皮成形中侧压块优化设计

TB5钛合金凸弯边橡皮成形时易失稳起皱.将起皱缺陷量化作为优化目标,以凸弯边起皱为缺陷考察指标和侧压块优化的目标函数,基于有限元模拟和试验设计,对不同几何参数下的侧压块橡皮成形进行了有限元模拟,分析了几何参数对起皱指标的影响程度,应用响应面法建立侧压块几何参数和起皱评价指标间的函数关系,并用拟牛顿法进行优化.建立了优化参数和成形指标间的近似函数关系及侧压块优化设计模型.通过试验验证该优化方法的有效性和正确性.     

基于比例危险-比例优势模型的加速寿命试验设计

将基于信息的优化方法引入基于非参数模型的加速寿命试验优化设计中,针对恒定应力和步进应力两种应力加载方式,分别给出了基于比例危险-比例优势模型的试验优化设计方法.通过对数似然函数建立Fisher信息矩阵和方差-协方差矩阵,并采用基于信息的优化方法建立最优化问题.这种试验优化设计方法可以有效地提高模型参数评估精度,并且避免了传统的优化方法(即将一个与可靠性相关的函数的渐进方差在一个给定区间内的积分值作为优化目标)当目标函数中给定的积分区间变化时将得到不同优化结果的局限.最后给出了应用该方法进行加速寿命试验优化设计的仿真实例.     

低空恒高拖靶气动外形优化设计

首先根据经验方法及使用需求,确定低空恒高拖靶气动布局初步方案;其次建立优化问题数学模型,选取与拖靶升阻特性相关的参数作为设计变量,确定了样本空间,并采用拉丁超立方抽样方法生成样本点,构建了代理模型,随后基于iSIGHT软件平台利用基于代理模型优化方法对气动外形进行优化设计;最后利用三维气动计算软件在优化结果基础上进行了气动分析。     

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.      

结构优化中的混合变量应力约束近似方法

提出一种处理结构优化应力约束的新近似方法，以往一般直接对应力约束按设计变量近似，本文用近似内力间接近似应力约束以得到更高的近似质量，根据对内力和设计变量关系分析，提出了内力按混合变量一阶泰勒展开的高捏近似方法。近似优化问题用约束变尺度法求解，最后按出了几个典型例题。结果表明该方法简单，有效，可靠。     

轻型空间相机主承力基板结构拓扑优化计

针对目前轻型空间相机主承力基板在结构设计过程中难于同时保证重量轻且刚度高的问题,提出了采用拓扑优化设计思想进行设计的方案.通过建立基于变密度方法的拓扑优化设计数学模型,运用Nastran软件对相机主承力基板进行拓扑优化设计,给出了主承力基板的最优设计方案.经过拓扑优化后相机主承力基板质量从初始的36.8 kg降低到15.4 kg,轻量化程度达58.2%.采用有限元分析方法对拓扑优化的结果进行了模态分析,以验证主承力基板刚度分布是否合理.通过0.5 g扫频振动试验对有限元分析结果进行验证,振动试验结果表明,主承力基板结构一阶自然频率理论分析与试验结果偏差1.86%,充分证明理论分析结果的正确性和准确性.整个优化设计过程证明,采用拓扑优化设计方法大大提高了研制效率,增强了空间相机主承力基板结构的性能,有效降低了基板的重量,满足系统设计要求.     

基于N-S方程的民航机翼双目标优化设计

提出了一种可用于民航机翼的双目标优化设计方法.优化中的设计变量为给定机翼沿展向若干个剖面的厚度与扭角,优化目标为固定升力系数下的升阻比和机翼容积.采取N-S(Navier-Stokes)方程作为流场求解器,Powell方法作为优化求解方法,对Lockheed-AFSOR Wing A 某民航机翼进行了优化设计.在马赫数为0.6217条件下,Wing A 机翼双目标优化结果优于单目标优化结果.对某实际应用的民航机翼在巡航马赫数为0.78、升力系数为0.48的优化结果也表明,该方法能有效提高机翼升阻比和容积.相对初始机翼,双目标优化机翼最大相对厚度在翼根处增大,翼梢处减小,扭角绝对值相对初始机翼沿展向均减小.该双目标优化设计方法优于常规的单目标优化设计方法,可以为民航机翼的工程设计提供有益的参考.     

精确动力学模型中的行星引力辅助轨道设计

轨道设计分为初步设计和精确模型迭代两步,初步设计基于等效脉冲模型,用圆锥曲线拼接法确定时间窗口和引力辅助产生的速度脉冲。精确模型中引力辅助看作是一个连续的过程,将简化模型得到的引力辅助双曲线轨道化为行星心目标B平面参数,以地心逃逸速度作为设计变量,通过微分修正的方法进行求解。通过算例对比分析了简化模型和精确模型设计结果之间的关系,结果表明,引力辅助脉冲等效模型精度较好。     

面向涡轮叶片方案优化的变保真度设计系统

提出了面向涡轮叶片初始设计的变保真度的多学科设计优化方法,建立了自动化的设计系统以提高设计效率.该系统集成了分析工具和设计团队以及数据管理系统,使得设计过程自动地运行.开始设计阶段使用基于经验公式的低保真度模型;优化中的三维仿真过程使用基于精确的流体分析和结构分析的高保真度模型.过程按照模型保真度的不同分3个阶段,渐近地获得最优解,同时考虑非设计点的优化.通过实验设计搜索并逐渐缩小设计空间,使得高保真度分析所带来的计算成本得以减少.最后以一个2级轴流涡轮的叶片初始方案设计验证了本设计系统.     

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.     

无人机全包线模糊T-S建模

针对无人机大包线一体化飞行控制要求,提出全包线模糊T-S(Takagi-Sugeno)建模方法.该方法根据非仿射系统的局部线性化原理,将模糊T-S建模转化为仅对模糊规则中隶属度函数的中心和宽度的优化过程,优化的代价函数为模糊T-S模型对无人机全包线稳定性和操纵性的逼近误差的加权值.基于敏感度逐步扩展前件变量的模糊集以实现全局优化,确定模糊规则的数量和隶属度函数的初值.采用对正则因子启发式调整的Levenberg-Marquardt算法进行快速的局部优化.算例表明,建模算法收敛迅速,所建立的模糊T-S模型采用少量模糊规则实现了对无人机全包线稳定性和操纵性的高精度逼近,适用于无人机全包线一体化控制.     

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.      

资源受限嵌入式机电控制系统功耗感知调度

针对嵌入式机电控制系统的能耗受限问题,提出了一种基于功耗感知和反馈调度的能耗管理方法.研究了嵌入式机电控制系统的静态功耗调度模型,提出了一种基于控制代价和系统能耗的联合优化指标,并给出了其优化解.针对在动态调度模型下运算开销大,难以在线实现的问题,采用智能计算方法逼近优化结果.对比了4种智能计算方法的逼近精度和调度开销,采用小波神经网络逼近优化结果.仿真的结果表明:该方法在保证了控制性能的同时,降低了调度开销和系统能耗.      

基于自适应伪谱法的高超声速飞行器再入轨迹优化

针对高超声速飞行器再入轨迹优化问题,建立考虑地球自转的三自由度再入运动方程,以美国通用空天飞行器为对象建立再入约束模型。采用Legendre-Gauss-Radau配点对3种典型优化问题:最大纵程、最大横程及最小航迹角变化率问题进行离散,将连续时间最优控制问题转化为非线性规划问题。基于Legendre多项式近似理论,引入衰减系数构建相对误差估计关系式,并以此提出一种有效的自适应网格重构策略。最终获得了3种典型再入轨迹优化问题的最优解。仿真结果表明,该算法的求解结果与变步长Runge-Kutta-Fehlberg法积分一致。相比传统自适应伪谱法,其配点和区间分配更合理,迭代次数少,求解速度高,且对人工参数不敏感。      

闭环最优模糊推理方法及其应用

最优模糊推理的基本思想在于模糊推理引入优化机制.首先针对现有的一种最优模糊推理方法,证明其满足模糊推理的2个基本性质,即推理一致性和所构成模糊系统的通用逼近性;其次提出闭环最优模糊推理的基本思想,即模糊推理引入反馈和优化机制,并在此基础上提出一种闭环最优模糊推理方法;然后针对这种新方法,同理证明其满足上述2个基本性质;最后通过飞机高度控制系统的仿真平台,体现出由闭环最优模糊推理方法所构成的模糊PID控制器的控制效果和强鲁棒性.      

A high order method for orbital conjunctions analysis: Sensitivity to initial uncertainties

A high order method to quickly assess the effect that uncertainties produce on orbital conjunctions through a numerical high-fidelity propagator is presented. In particular, the dependency of time and distance of closest approach to initial uncertainties on position and velocity of both objects involved in a conjunction is studied. The approach relies on a numerical integration based on differential algebraic techniques and a high-order algorithm that expands the time and distance of closest approach in Taylor series with respect to relevant uncertainties. The modeled perturbations are atmospheric drag, using NRLMSISE-00 air density model, solar radiation pressure with shadow, third body perturbation using JPL’s DE405 ephemeris, and EGM2008 gravity model. The polynomial approximation of the final position is used as an input to compute analytically the expansion of time and distance of closest approach. As a result, the analysis of a close encounter can be performed through fast, multiple evaluations of Taylor polynomials. Test cases with objects ranging from LEO to GEO regimes are considered to assess the performances and the accuracy of the proposed method.     

利于翼型优化设计的超临界翼型参数化方法

为减少超临界翼型优化中的设计变量,消除优化结果的不光顺现象、保证C₂连续,在优化过程中控制翼型几何特性的变化范围,设计出了由4条首尾相接的有理Bézier曲线表示的超临界翼型的翼型参数化方法,该方法对翼型数据的参数化过程中主要运用了Bézier曲线拟合算法与SPSA(Simultaneous Perturbation Stochastic Approximation)优化算法,并在Bézier曲线拟合算法中使用了有别于常用方法的数据点参数选择方法.将这种超临界翼型参数化方法与优化算法结合便可实现翼型优化设计,其中的设计变量为21个,优化结果不仅光顺且满足C₂条件,通过设定设计变量变化范围便可控制相应的翼型前缘半径、上下弦最高最低点的位置与曲率、尾部契角等几何特征.