基于多目标遗传算法的航空发动机总体性能优化设计

采用一种基于Pareto最优解的多目标遗传算法—NSGAⅡ算法,以双轴混合排气式涡轮风扇发动机为算例,集成发动机性能模型、流路尺寸模型和质量模型,以单位推力、耗油率等为目标函数进行了多目标优化设计。计算结果表明:NSGAⅡ算法具有较好的稳健性和鲁棒性;基于NSGAⅡ算法的发动机总体性能优化方法能够获得目标空间内分布均匀的Pareto最优解集,有效克服了发动机总体性能方案设计时人工经验依赖较重的缺点,可为决策者进行目标权衡提供充分依据。      

基于混合多目标粒子群算法的飞行器气动布局设计

 为了提高多目标优化算法求解非劣解集的效率,在多目标粒子群算法的基本框架中引入了Pareto过滤算子、小生境技术和模拟退火算法,建立了全新的混合多目标粒子群算法。该算法具有运算收敛快,所得非劣解集分布均匀、广泛的特点。将其应用于求解以升阻比和效用体积最大化为目标的再入式高超声速飞行器气动布局多目标优化设计模型,将计算结果与原始多目标粒子群算法的计算结果进行对比,体现出本文提出的混合多目标粒子群算法能够更加有效地求解复杂多目标优化设计问题的非劣解集,从而为多目标决策提供有力的支持。     

考虑性能及成本的固体火箭发动机多学科设计优化

为综合考虑固体火箭发动机的燃烧室、药柱、内弹道、喷管及成本等学科影响,梳理学科间耦合关系,并建立了以总冲最大、成本最小为优化目标的固体火箭发动机多学科设计优化（MDO）模型。为降低MDO问题的计算成本,提出一种基于Kriging代理模型的多目标自适应优化方法（KRG-MAOM）。优化过程中,分别对目标与约束构建Kriging模型,并采用多目标优化算法求解,在伪Pareto解中综合考虑支配关系与分布特性选取新增样本点,引导优化快速收敛。算例结果表明,KRG-MAOM算法在全局收敛性与优化效率方面具有显著优势。最后,采用KRG-MAOM算法求解该MDO问题,得到可行的Pareto解集方案,与初始方案相比,同性能情况下成本节省约3.36%;同成本情况下性能提升约10.93%,从而验证MDO模型合理性与KRG-MAOM算法有效性。     

基于熵产理论设计方法的多目标翼型优化

将熵产理论引入翼型的多目标气动优化设计,通过理论推导湍流流场熵产率计算公式,进而阐述熵分析方法在翼型气动优化中的作用。通过CST参数化方法对翼型进行参数化建模,并将多目标优化算法与CFD计算耦合起来,计算翼型升阻比和流场熵产率,建立一种以最大升阻比和最小熵产率为目标的翼型优化方法,进而得到优化翼型的Pareto解,并与传统翼型优化方法进行对比。与初始种群相比,优化翼型具有更优的气动性能,在升阻比提高的条件下,流场熵产率减少,能量效率提高。采用多目标遗传算法得到的非支配解集分布均匀,质量较高,设计者可以根据设计需要选择具有相对低熵产的一组翼型来改善空气动力性能。结果分析表明,本文所建方法具有较强的全局收敛性,具有一定的工程应用前景。     

基于自由涡尾迹和遗传算法的叶尖小翼气动优化设计

风力机叶片采用分裂式叶尖小翼可以改善叶片的气动性能。以风能利用系数最大和风轮推力系数最小为目标,采用自由涡尾迹(FVW)方法与快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)耦合对小翼的形状进行优化设计。NS-GA-Ⅱ算法对每一代种群进行评价、筛选和变异,最终得到小翼形状的Pareto最优解集,其中气动性能评价目标通过FVW方法计算。结果表明,FVW模型能够较准确的模拟叶片的气动性能;两目标优化给出的不是传统优化方法追求的单个最优解,而是一个Pareto最优解集,且分布在一条曲线上;相比NREL原始叶片,风能利用系数最高能提高30%;小翼的几何形状在最优解集下分布具有一定的规律性,对后面的设计及改型有很好的指导性作用。     

基于流形结构重建的多目标气动优化算法

在多目标优化中,Pareto解集是一个分段连续的k维流形,这一规律被传统进化算法所忽略。本文提出了一种基于流形结构重建的多目标优化算法,首先利用流形结构重建方法完成解集分布从目标空间到设计空间的映射,建立解集的概率分布,并在目标空间中扩展流形结构,从而借助解集在目标空间的推进来指导优化算法的快速演化。数值算例表明本文算法对于具有不同特征的Pareto前沿具有很好的适应性,能够极大提高算法的收敛效率。多目标气动优化算例验证,本文算法相比于常规多目标进化算法能够减少约80%的计算量,极大程度缩短了气动设计的周期。     

基于Nash-Pareto策略的两种改进算法及其应用

针对多目标、多设计变量的优化问题,提出了两种优化的新算法:一种是将多目标问题转化为单目标时,对目标权重的确定提出了新的途径;另一种是直接对多目标问题进行优化,并对Pareto遗传优化技术作了改进,以得到均匀分布的Pareto最优解集.两种新算法都是建立在Nash的系统分解与Pareto遗传算法的基础上,因此称这类算法为Nash-Pareto策略.借助于这类算法,文中以跨声速压气机双圆弧类叶型的气动优化为例,给出了气动优化的全过程.数值优化的实验表明所给出的改进算法是可行的、有效的.     

低雷诺数下翼型分离流动抽吸控制优化

为了获得不同目标下最优抽吸控制参数,开展了分离流动抽吸控制优化研究,基于RBF神经网络与遗传算法,发展了求解单目标和Pareto多目标问题的优化平台。针对NACA0012翼型表面分离流动,在其上表面设计了局部多孔分布式抽吸结构,将径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络作为CFD计算的代理模型,以减小计算量;采用遗传算法开展了单目标和Pareto多目标优化。优化结果表明:该优化设计平台具有良好的收敛性和准确度;以升阻比为单目标的优化使升阻比最大增加了2.4倍;Pareto多目标优化设计获得了分布均匀的、令人满意的Pareto解集,为设计者提供了一个可选的有效解数据库。在合理选择抽吸角度、抽吸孔径和孔间距的前提下,只需较小的抽吸系数,就可使升阻比获得明显增加,同时,还能保持较高的FOM值,使整个控制系统的能效比维持较高水平。     

基于改进多目标布谷鸟搜索算法的翼型气动优化设计

布谷鸟搜索（CS）算法是一种新型的受自然现象启发的元启发式智能优化算法，其强大的全局搜索能力和收敛速度受到了广泛关注。多目标布谷鸟搜索（MOCS）算法是一种在单目标布谷鸟算法基础上发展的可以直接求解Pareto解集的多目标优化算法。针对原始MOCS算法的不足，采用一系列措施以提高算法的收敛精度、收敛速度以及解的均匀性：通过引入非支配排序与拥挤距离来改进解的适应度评估；通过改进随机游走策略来提高局部搜索能力；通过引入改进的自适应丢弃概率策略来提高算法的收敛速度；加入档案管理机制，提高解的均匀性。典型的多目标数值算例结果表明，改进的MOCS算法相较于当前主流的NSGA-Ⅱ算法拥有更快的收敛速度和更高的收敛精度。以RAE2822双目标升阻比优化设计为例，将改进的MOCS算法应用于多目标气动优化中，改进的MOCS算法共获得64个Pareto解，优化后的翼型气动性能有明显的提升，设计者可以根据自己的偏好选取不同的Pareto解。对于气动优化问题，改进的MOCS算法与目前主流的NSGA-Ⅱ相比，收敛速度更快。     

基于Pareto集与多目标决策的飞控参数优化

针对传统的单目标优化方法不能对飞控系统多个性能指标同时进行优化的问题,提出了一种基于Pareto遗传算法和多目标决策的飞控系统参数优化方法。通过NSGA-Ⅱ算法对飞控系统参数进行优化获得最优解集,在此基础上首先进行方案的初选,然后利用综合权重的Vague集决策方法对备选方案进行模糊评价和优选,找到最终满意解。仿真结果验证了所设计方法的有效性。     

Aerodynamic multi-objective integrated optimization based on principal component analysis

Based on improved multi-objective particle swarm optimization (MOPSO) algorithm with principal component analysis (PCA) methodology,an efficient high-dimension multiobjective optimization method is proposed,which,as the purpose of this paper,aims to improve the convergence of Pareto front in multi-objective optimization design.The mathematical efficiency,the physical reasonableness and the reliability in dealing with redundant objectives of PCA are verified by typical DTLZ5 test function and multi-objective correlation analysis of supercritical airfoil,and the proposed method is integrated into aircraft multi-disciplinary design (AMDEsign) platform,which contains aerodynamics,stealth and structure weight analysis and optimization module.Then the proposed method is used for the multi-point integrated aerodynamic optimization of a wide-body passenger aircraft,in which the redundant objectives identified by PCA are transformed to optimization constraints,and several design methods are compared.The design results illustrate that the strategy used in this paper is sufficient and multi-point design requirements of the passenger aircraft are reached.The visualization level of non-dominant Pareto set is improved by effectively reducing the dimension without losing the primary feature of the problem.     

用INSGA-Ⅱ进化NPCs的复杂行为

目前游戏中NPCs多目标行为进化是一个非常复杂的问题。对此建立了NPCs多目标优化的数学模型,并提出了一种NSGA-Ⅱ的改进算法——INSGA-Ⅱ。该算法在进行精英选择时,采用了基于K-均值聚类的方法联合了不同等级之间的个体进行集合划分,然后从不同的集合中选择下一代个体,从而更好地保持了种群的多样性。通过实例比较证明,在玩家和NPCs作战的游戏场景下,INSGA-Ⅱ能够得到NPCs复杂多目标控制问题的Pareto最优解,而且比NSGA-Ⅱ表现出更好的收敛性和多样性。     

特征趋势分区Gauss伪谱法解再入轨迹规划问题

针对强约束下的滑翔再入轨迹规划问题,采用基于特征趋势分区的Gauss伪谱法将连续最优问题转换为多个并行非线性规划问题并对其进行求解。针对传统拟谱方法在处理状态受限时,非平滑最优控制解难以收敛的问题,引入Sobolev空间证明了分区并行的收敛性和一致性。基于Letts准则提出了非连续特征趋势提取方法,通过分析离散点配置导数进行了可变分区的迭代设定,并结合导数变化趋势给出了各分区的动态配点数。利用不同阶次的多项式进行精度逼近,保证了在考虑多项强约束条件下弹道规划的可行解获取。结合状态分区的策略进行离线状态的分解,提高了计算效率。最终针对典型的再入应用进行了轨迹规划应用。仿真结果表明,所提出的方法可有效应对多种约束条件,能够根据飞行器的气动能力规划出可行的轨迹,过程条件满足约束,且可适应气动力20%的拉偏范围。     

一种改进的转子系统临界转速调整方法

针对转子系统的临界转速最优化调整问题,在详细分析已有方法的基础上,提出一种改进的优化调整方法,以调整量最小为目标函数,达到预先给定的临界转速为约束条件,推导了优化调整模型,无需进行修正处理,简化了优化流程.对某转子系统进行最优化调整的计算结果表明,该方法不仅可得到满足要求的最优解,而且能有效的减少计算耗时.      

基于核心零部件聚类的飞机现场可更换单元划分

为研究军用飞机测试性设计过程中现场可更换单元（LRU）划分工作，以功能独立性和结构独立性为基本原则，以降低飞机维修保障成本和时间为主要目标，设计了一种军用飞机LRU划分方案。方案在首先实现了飞机从整机到零部件的功能结构分层划分基础上，从设备零部件层级出发，以综合重要度作为各零部件的定量化指标，运用帕累托（Pareto）原则筛选出核心零部件。然后基于核心零部件开发了一种LRU划分聚类算法，该算法以军用飞机设计研制阶段、使用保障阶段、退役处置阶段全寿命周期内成本和时间为优化目标构造综合评判因子，实现了非核心零部件与LRU模块之间的聚类组合，得到最优的LRU划分结果。最后以某型军用飞机上蒸发循环制冷装置为例，运用本文设计的方案实现了该装置LRU的划分，并将划分结果与该装置的实际LRU清单进行对比，通过维修保障成本和时间综合评判因子对两种划分结果的优劣性进行分析，得出本文设计方案得到的LRU划分结果对飞机维修保障成本和时间的优化效果较为均衡的结论。     

Integration of Manufacturing Cost into Structural Optimization of Composite Wings

 The manufacturing cost is a significant factor that must be considered in the structural design of a composite wing. A multi-objective optimization method for the tradeoff between manufacturing cost and weight of composite wing structure is developed by integrating the manufacturing cost model into the traditional wing structural optimization. A two-level optimiza-tion method is proposed to carry out the tradeoff between manufacturing cost and weight, in which the design variables include both structural layout and dimensions and a cost model is incorporated into structural optimization. The manufacturing cost model for a composite wing and the detail procedure for solving this tradeoff problem are presented. The application of the method to the composite wing structural design of an unmanned aerial vehicle is illustrated to verify the method. The applica-tion indicates that the method is able to find the Pareto optimal set of minimum structural weight and manufacturing cost. Based on the Pareto optimal set, one can conduct the tradeoff between manufacturing cost and weight of wing structures.     

平流层飞艇总体多目标优化设计与决策

将多目标优化与多属性决策相结合应用于平流层飞艇总体多目标优化中。建立平流层飞艇多目标优化模型,实现优化模型参数化建模,采用多目标进化算法NSGA－Ⅱ得到Pareto最优解集,构成多属性决策矩阵,采用模糊熵权TOPSIS（ M－TOPSIS）法对Pareto非劣解进行排序,获得最佳设计方案。最终结果验证了NSGA－Ⅱ平流层飞艇多目标优化中的有效性。