升力体外形设计的代理模型优化方法

面向飞行器概念设计提出了一种将类型函数/形状函数变换技术与代理模型技术及全局优化算法相结合,实现升力体外形多目标优化的设计策略。类型函数/形状函数变换技术能够通过调整少量尺寸参数或类型函数/形状函数控制参数衍生出多种设计构型。选用最优拉丁超立方抽样完成实验设计,将径向基函数作为近似方法构建代理模型,并通过序贯采样后验策略改善代理模型拟合优度。在Ma 6,迎角20°设计点处搭建了升力体简化外形的气动分析代理模型。应用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法实现了以升阻比和容积利用率最大化为目标的折衷优化,得到包含一系列改进设计方案的Pareto-解集,其中,各构型目标响应相对实际分析值误差均在6.1%以内,表明该方法既可以通过代理模型大幅提升设计效率,降低应用全局优化算法的计算复杂度,又能够得到满足概念设计精度需要的设计方案,有利于概念设计中定量高效地实现多个设计目标的折衷优化,明确飞行器外形修改方向。
     

基于代理模型技术的返回舱外形优化

针对返回舱再入过程中需要满足的复杂气动力热务件,在典型高超声速条件下以升阻比和阻力系数为目标,以驻点热流和容积率为约束条件进行返回舱外形多目标优化设计。气动特性分析采用基于三维Navier-Stokes方程和结构网格的计算流体力学数值仿真（CFD）方法,采用Fay-Riddell经验公式计算驻点热流,采用NSGA－II优化算法进行全局寻优,为了增强多目标优化设计的计算效率,利用Kriging代理模型替代CFD计算,并引入改进的EI函数加点策略,大大减少了构建代理模型时所需的样本点数目。优化计算结果表明,代理模型计算结果与CFD计算结果误差可以控制在7％以内,基于代理模型技术的优化过程可以节省95％以上的计算开销。因此,该方法能够较好地满足初步设计的要求,为返回舱外形优化提供有益的借峪。     

平流层飞艇外形气动特性分析

结合某平流层飞艇的外形设计，文章采用数值模拟的方法研究了平流层飞艇外形的气动特性。基于雷诺平均N—S方程，采用非结构网格的有限体积方法进行了求解；空间离散分别采用了Jameson的中心格式和Osher逆风格式，时间离散则采用五步Runge—Kutta格式；紊流模型分别采用了S—A一方程模型M—SST两方程模型。本研究有助于了解平流层飞艇的气动特性及气动外形设计过程中存在的问题，为平流层飞艇设计提供参考依据。     

平流层飞艇外形气动特性分析

结合某平流层飞艇的外形设计,文章采用数值模拟的方法研究了平流层飞艇外形的气动特性。基于雷诺平均N-S方程,采用非结构网格的有限体积方法进行了求解;空间离散分别采用了Jameson的中心格式和Osher逆风格式,时间离散则采用五步Runge-Kutta格式;紊流模型分别采用了S-A一方程模型M-SST两方程模型。本研究有助于了解平流层飞艇的气动特性及气动外形设计过程中存在的问题,为平流层飞艇设计提供参考依据。     

火箭协同优化中的气动代理模型研究

随着运载火箭研发模式转变,快速迭代和协同优化设计成为主要发展方向,这就要求作为小回路论证中重要一环的气动特性计算能够实现在线输出数据,亟需研究一种快速计算气动特性的代理模型,代替耗时的CFD计算和风洞试验参与到总体优化设计中。综合比较多种快速计算途径,选择高斯基Kriging插值和BP神经网络两种方法构建代理模型。使用脚本控制的Cart3D软件生成数值试验样本,样本点精度与Fluent软件计算误差小于14%。通过样本点训练、内参优化和加点策略,最终获得相对误差小于10%的代理模型,能够实现给定外形参数在线秒级输出气动数据,极大地推动了气动计算在总体论证中的作用。     

飞行器气动外形的正交设计与分析

结合飞行器总体快速设计需求,研究基于正交试验设计的气动外形分析方法。通过正交试验设计,获得飞行器气动特性数据,再根据试验结果的极差分析和方差分析,快速明确飞行器外形参数与阻力系数的影响程度,辨识关键参数,指导飞行器外形设计。以某飞行器为应用对象开展了实例验证,结果表明该方法能够快速获得满足要求的气动外形,提高分析效率,满足总体方案快速设计需求。     

乘波体设计方法及设计参数分析

乘波体是一类典型的高超声速飞行器外形,它具有较高的升力及升阻比特性。建立了一套基于激波装配法的乘波体设计方法,该方法采用激波装配法获得精确激波位置,同时引入导波体的概念,通过设计导波体的构型来决定激波面的形状,引入导波体构型参数。通过改变导波体俯视外形前后锥角度、前后体长度比、侧视外形表面后锥角度等参数,比较其对最终乘波体气动特性的影响,并分析了这些参数改变对乘波体气动特性影响的内在机制,为工程化乘波体设计提供理论指导。     

前后缘同时可控的乘波体气动修型设计与分析

从超声速气动原理出发,结合流线追踪和几何重构技术,提出了一种前后缘同时可控的乘波体气动修型设计方法。在前缘水平投影为超椭圆和后缘为圆弧的条件下,采用该方法完成了乘波体的气动修型设计并在设计点(Ma=6.0)和接力点(Ma=4.0)开展数值仿真研究。结果表明:在前后缘同时指定的条件下,气动修型设计的乘波体型面过渡光滑,只在出口两侧有很小的高压区,可以很好地保持基准乘波体的波系结构和乘波特性。与基准乘波体相比,气动修型的乘波体具有更高的容积率、升力和预压缩效率,俯仰力矩几乎相等,但是升阻比下降。有粘条件下,设计点时升阻比由2.91降为2.53,接力点时由2.69降为2.32。上述结果符合设计预期,设计方法可行。     

面向控制的可变形乘波体概念设计与分析

针对高超声速乘波飞行器强耦合、非线性和大包线飞行等特点,在概念设计阶段将智能变形技术引入到乘波体设计中来,根据不同飞行状态调整乘波体外形,实现飞行性能的最优化.利用高超声速空气动力学和具有热增加的准一维流估算乘波体表面气动力和发动机推力,建立可变形乘波体的参数化数学模型.仿真分析可高燃冲压发动机性能和乘波体气动特性随结构变化的关系,针对发动机性能提出了变形的依据.通过经典的内外环分布式控制器控制可变形乘波体的姿态稳定的同时具有一定的指令跟踪能力,并且验证了形变对飞行和控制性能的影响.     

气动外形设计的表面压力规范判据

本文介绍，验证并总结了一种全新概念的分析判据，用于测定在普通多维流，定常和非定常流，可压缩和不可压缩流状态下的流体气流分离。当要求在一定工作条件范围内防止气流分离时，新型计算公式提供了新的气动外形逆向设计方法。特别是所归纳出的分析公式可以很方便地用于检查任何特定表面压力变化的可靠性。     

吻切锥乘波机的构型设计与性能研究

以圆锥绕流流场为基础，给定进气道进口曲线运用吻切锥理论生成了不同的乘波机构型，并对乘波机进行了包括升力、粘性阻力、波阻、升阻比、乘波机长度、体积、容积效率等各主要性能指标在内的性能计算，初步确定出了吻切锥乘波机构型和性能的变化规律及其决定性定型参数。计算结果表明：源流场圆锥半锥角、进气道进口高度是乘波机性能的决定性因素；在乘波机容积效率要求较高的设计要求下，粘性阻力占乘波机阻力的主导地位，其初设计过程也必须考虑粘性的影响。乘波机的生成过程和性能计算充分证明了乘波机作为高超声速飞行器和空天飞机外形的三项无与伦比的性能：较高的升阻比、由流场推算乘波机外形的反设计和一体化设计性能。     

Ma4.5巡航飞行器乘波体方法优化设计

采用多参数综合目标函数的乘波体优化设计方法，研究了乘波体外形设计参数量化方法，以及设计实用的乘波体时选择优化目标应考虑的因素，并由任意形状开始，用完全的优化方法设计出了巡航M数4～4．5的飞行器乘波体外形。本文的研究表明，用完全的优化方法设计乘波体，选择合理优化目标函数是非常关键的一步，它决定了能否得到合理可用的最终设计结果。     

空间表面张力贮箱结构分析与优化设计

把有限元分析技术应用到贮箱结构分析和优化设计.针对某空间表面张力贮箱,建立其有限元模型,对该模型进行非线性结构分析.根据分析结果对贮箱的壁厚及法兰进行结构优化设计与分析,通过对分析结果的对比选择,得到一个受力较好,重量较小,同时满足安全余量设计要求的贮箱优化模型.     

固体火箭发动机交互式可视化优化设计与分析

为提高固体火箭发动机优化设计和结果分析的效率,提出了一种交互式可视化优化设计与分析方法。以某大型固体火箭发动机设计为例,说明其在固体火箭发动机优化设计和参数敏感性分析中的应用。研究表明,这种方法可使设计人员快速、直观地得到符合总体要求的多组设计方案,简单、有效地进行参数敏感性分析,符合设计人员思维习惯,适合在工程中推广。     

基于计算流体动力学数值模拟分析的旋风分离器优化设计

旋风分离器由于结构简单而机理复杂,广泛应用于环境除尘净化处理。为了提高旋风分离器的除尘净化效率,文章基于计算流体动力学（CFD）数值模拟方法分析了其工作过程,得到了内部气-固两相流的分布参数云图。针对这些参数分布云图,分析了它们产生的原因。为了提高除尘净化效率和节省能源,文章通过参数、边界条件的反复设定及模拟分析,确定了旋风分离器的最佳设计方案。本方案经过实际产品的有效运行取得了良好的效果。     

运载火箭性能计算一体化优化设计系统分析与设计

运载火箭性能计算一体化优化设计系统在运载火箭方案论证设计阶段中有着重要的应用价值。本文在面向对象方法学的指导下，建立了运载火箭性能计算一体化优化设计软件系统的对象模型、动态模型以及功能模型，划分了系统的组成模块，利用Visual studio 6．O和Office2000开发实现了该软件系统。对象技术的应用使得系统具有良好的通用性。该软件系统可以完成不同型号运载火箭和不同优化设计性能要求的仿真优化计算，软件具有较好的稳定性、可重用性和可维护性。     

MEMS“三明治”倾角传感器的仿真分析和优化设计

对MEMS“三明治”式倾角传感器进行结构优化设计,敏感元件采用双梁-质量块结构,其中可动质量块通过双梁和周围框架相连,可动质量块和上下盖板构成上下差分电容。外界给定某一加速度时,上下间隙此消彼长,从而导致电容量发生变化。通过建立敏感元件的静力学模型,获得敏感元件的关键尺寸与其性能参数的关系,基于体硅工艺建立敏感元件的三维工艺模型,并采用ANSYS有限元仿真对敏感元件的灵敏度、线性度、谐振频率等参数进行分析计算,结果表明：敏感结构的一阶谐振频率为576.68 Hz,灵敏度为0.76 pF/g,±30°、±90°对应的线性度分别为0.8‰、3‰,均符合设计要求,最后给出了倾角传感器敏感元件的加工流程。     

助推-滑翔导弹总体一体化优化设计

综合考虑固体火箭发动机设计、弹道设计和总体特性相互作用和相互影响,建立了新概念助推-滑翔导弹总体一体化设计优化模型和系统分析模型.应用遗传算法优化了19个设计参数,并与弹道导弹优化结果进行了比较.结果表明,助推-滑翔导弹具有很强的机动突防能力,且具有增程能力.     

微小卫星解锁分离装置主结构设计分析及优化

文章介绍了某小卫星包带式星箭解锁分离装置初样产品的设计方案,建立了该装置的有限元模型,并通过轴向压缩静力试验验证了该模型的有效性。卫星用质心处的集中质量点代替,对解锁分离装置进行了模态与静力分析,验证了其主结构设计的合理性,同时还具有较高的安全裕度和可优化空间。以卫星总质量为目标函数,解锁分离装置主结构各构件的壁厚为设计变量,并以初样产品的横向、轴向和扭转的基频以及其主结构强度满足设计要求为约束条件,进行了灵敏度分析和优化设计,优化后的解锁分离装置总质量减少了1.5 kg。     

设备外形与布局优化的关系

目前国内航天器研制中,各分系统单机设备结构外形、机械接口等很大程度上制约了航天器整体的总装布局优化工作,产生了大量附属的总装直属件,这不仅引起整个航天器重量的增加,而且给后续的电缆和管路走向优化设计造成障碍。文章通过借鉴“联盟号”飞船设计思路,提出了以赋形设计减少总装直属件的数量布局优化设计方法。