飞行器多学科设计优化概述

针对飞行器多学科设计优化进行了概述。提出多学科设计优化的综合性定义，介绍了国内外发展现状。指明多学科设计优化的组成要素和存在学科耦合、计算耗时两个难点，并认为其关键问题是离散设计变量和非数值型综合设计变量处理、工程综合评估、数据流管理等。阐述了可用于多学科设计优化的各种方法及其优缺点。并提出了多学科设计优化的研究重点。     

协同优化在固体弹道导弹概念设计中的初步应用

讨论了标准协同优化方法的流程和特点,并针对固体弹道导弹系统的特点,设计了集成质量、动力、气动、外形和弹道5个学科的弹道导弹多学科设计优化模型.采用协同优化方法集成各学科的知识,协调处理各学科之间的耦合变量,应用合理的优化策略有效地解决了在弹道导弹多学科优化设计中的耦合关系所带来的计算问题,并对该模型成功进行了多学科优化设计,得到了优化方案.研究不但证明了协同优化方法在固体弹道导弹多学科优化设计中的有效性,还表明协同优化方法可使各子学科专注于本学科的优化设计,并使用本学科已有的分析工具,无需考虑对其他学科的影响,这方面相对于其他高要求的MDO方法具有较明显优势.     

飞行器多学科设计优化的三种基本类型及协同设计方法

运用多学科设计优化方法,根据飞行器设计中遇到的实际情况,提出三类基本的飞行器多学科设计优化问题:耦合、信息单向传递、独立。一般的飞行器设计问题可以视为提出的这三种基本类型的组合。以设计实例对这三类问题的数学模型及解决方案进行了深入分析。介绍了协同优化方法的设计思想,并提出了应用协同优化方法解决上述三类问题中最复杂的耦合问题的具体计算结构。应用该计算结构,可以避免求解耦合方程组并实现各学科并行设计,提高了计算效率。     

航天器多学科设计优化研究综述

多学科设计优化方法是实现航天器“快、好、省”设计的有效手段。介绍了MDO方法的内涵及航天器多学科设计优化问题的系统表述；总结了航天器多学科设计优化研究在MDO系统建模、集成设计框架开发和MDO应用三方面的国内外进展情况，阐述了航天器多学科设计优化研究存在的困难，并指出多场耦合、分解协调策略以及MDO方法与设计流程的融合等问题是航天器多学科设计优化面临的主要难点；最后，讨论了航天器多学科设计优化理论研究与应用的发展趋势。     

卫星星座系统多学科设计优化研究

分析了卫星星座系统设计包含的星座设计、卫星设计、发射选择等学科之间的耦合关系，特别是卫星各分系统之间的耦合关系，建立了包括发射费用分析、成本分析在内的卫星星座系统多学科分析模型。在此基础上，采用分布式协同进化MDO算法，将星座设计优化和卫星的设计优化在自治基础上充分协同，对一个同时包含离散／连续设计变量、需进行星座结构和参数同时优化的虚拟的海洋监视卫星星座系统进行了多学科设计优化。算法对离散设计变量采用二进制编码，连续设计变量采用实数编码，并分别采用相应的进化算子。采用最大长度编码，根据一定的规则确定基因的显性和隐性，来处理结构和参数同时优化引起的设计变量维数可变的问题。设计结果显示了多学科设计优化的优势和分布式协同进化MDO算法对卫星星座系统这样的复杂多学科设计优化问题的有效性.     

运载火箭总体设计多学科优化方法发展及展望

运载火箭总体设计是一项涵盖多学科的系统工程。在总体设计过程中,需要综合考虑弹道、气动、姿控等多个学科的设计方案及其相互间的耦合关系。多学科优化(MDO)方法通过不同的单级或多级模型对多学科系统进行近似建模,再利用相应数值算法迭代计算,从而逼近全局最优解。系统回顾了多学科优化方法在国内外的发展脉络,择要介绍了应用于总体设计的经典多学科优化模型架构、软件平台和实际算例,探讨了多学科优化方法在我国运载火箭总体设计中的应用价值和发展前景。     

航天器多学科设计优化研究综述

多学科设计优化方法是实现航天器"快、好、省"设计的有效手段.介绍了MDO方法的内涵及航天器多学科设计优化问题的系统表述;总结了航天器多学科设计优化研究在MDO系统建模、集成设计框架开发和MDO应用三方面的国内外进展情况,阐述了航天器多学科设计优化研究存在的困难,并指出多场耦合、分解协调策略以及MDO方法与设计流程的融合等问题是航天器多学科设计优化面临的主要难点;最后,讨论了航天器多学科设计优化理论研究与应用的发展趋势.     

火箭弹气动学科代理模型构建方法研究

针对火箭弹多学科优化体系中气动学科采用计算流体力学方法计算时间过长的问题,提出了一种综合运用CFD技术、试验设计技术、径向基函数神经网络技术构建火箭弹气动学科代理模型的方法,并对其流程进行了详细分析说明。通过算例分析,证明了该方法的可行性和有效性。该方法在保证一定精度前提下大大降低了火箭弹气动学科的计算周期。     

基于多学科设计优化算法的再入轨迹优化设计

传统的再入轨迹优化问题通常是在气动外形和质量等总体参数给定的情况下建立起来的。所设计的最优轨迹从飞行力学的角度来看是最优的，但从系统角度来看未必是最优的。在总体初步设计阶段，考虑气动外形和质量等其他学科影响的再入轨迹优化对于提高RLV的系统性能无疑具有重要意义。此时再入轨迹优化将是一个静态，动态多学科混合优化问题。以球头双锥的升力体构型RLV为例，以最小化热防护系统质量和最大横向机动距离为指标，采用两种典型的多学科优化算法来研究考虑气动外形、轨迹和热防护系统三个学科的再入轨迹优化设计问题。仿真结果表明多学科优化算法能够用来求解静态，动态多学科混合优化的再入轨迹优化设计问题，是RLV初步外形设计和任务轨迹规划的重要工具。     

基于伪光谱方法的月球软着陆轨道快速优化

为了满足探月器软着陆过程中轨道实时生成的要求,研究了伪光谱方法在月球软着陆轨道优化设计中的应用。在模型处理方面,根据月球软着陆轨道的特征和优化算法的特点,对探月器软着陆轨道状态方程进行了合理的简化和转化处理,使其更适合优化数值算法求解。在算法方面,使用伪光谱方法将软着陆轨道优化问题转化为一个约束参数优化问题,并采用乘子法处理约束条件,采用变尺度法求解处理后的参数优化问题。最后,对基于伪光谱方法的月球软着陆轨道优化进行了数值仿真计算,并用极小值原理验证了仿真所得的轨道是最优轨道。结果表明,该优化处理方法具有收敛速度快、对初始控制量不敏感、鲁棒性强等优点。     

考虑高耗时约束的全电推进卫星多学科优化

为提高卫星系统整体性能与优化设计效率，本文采用多学科设计优化（MDO）方法进行全电推进卫星总体参数优化。主要考虑轨道转移、位置保持、空间环境、供配电、结构及质量六个学科，以整星质量最小为优化目标，考虑轨道转移时间等约束条件，建立了全电推进卫星MDO模型。提出一种基于增广拉格朗日乘子法的高效全局优化方法（ALM-EGO）以快速求解卫星MDO问题。标准数值算例对比研究表明，对于处理高耗时约束优化问题，ALM-EGO方法在全局收敛性与优化效率方面具有一定的优势。最后，采用ALM-EGO求解全电推进卫星MDO问题，优化后的全电推进卫星设计方案满足各类工程设计约束，实现整星减重161.09 kg，从而验证了本文所建立模型的合理性和ALM-EGO方法的有效性。     

卫星总体参数多学科优化与建模探讨

卫星总体参数优化是一个典型的多学科优化问题。文章针对卫星总体参数优化建模及其他相关问题进行了探讨,阐述了卫星总体参数优化的过程;以对地观察卫星为对象,给出了多学科优化模型,包括优化目标、约束条件和设计变量。     

由子系统主导的协同优化算法

针对多学科设计优化中的协同优化算法在应用时存在不可避免的困难,在标准协同优 化问题分解模式的基础上提出了一种改进算法SLCO(Subsystem Leading Collaborative
Optimization)。SLCO充分利用了子系统优化结果来产生新的系统级期望值,将优化目标和 耦合处理都交给子系统来完成。从数学上证明了该算法的收敛性,并用测试算例进行验证, 结果表明,该算法稳定,寻优效果好,并且有一定的灵活性。     

飞行器固体火箭助推器设计优化方法比较

综合考虑飞行器总体设计约束、轨道设计、气动特性与固体火箭助推器设计间相互影响的情况下,建立了飞行器固体火箭助推器总体/气动/轨道/动力多学科的系统分析模型和设计优化模型。采用传统设计优化方法和多学科设计优化(MDO)方法进行了固体火箭助推器设计优化。结果表明,固体推进单学科的最优设计不等价于飞行器总体多学科的最优设计;与传统设计优化方法相比,MDO方法一次设计优化就可得到满足飞行器总体设计指标的最优设计,得到内外弹道相匹配的助推器最优推力-时间曲线。传统设计优化方法需要飞行器总体和固体推进学科两个设计优化过程不断迭代协调,容易漏掉满足飞行器总体设计指标的最优设计。采用MDO方法,可提高固体火箭助推器的设计质量,大大减少设计迭代次数,从而缩短设计周期。     

航天器多学科设计优化技术综述

强调了应用多学科设计优化(MDO)技术进行航天器设计的必要性,分析了航天器MDO设计的内容,通过对各大宇航公司MDO应用的分析,论述了航天器MDO设计现状;在分析MDO框架的功能后,对几种流行的框架作了介绍;最后探讨了航天器MDO应用技术的发展方向。     

基于XML的产品主模型技术研究

多学科设计优化方法是近年来发展的一种设计复杂系统的新方法。它充分考虑各个学科之间的相互影响和耦合作用,以获得系统的整体最优解。产品主模型技术是多学科设计优化的关键技术之一,能较好地解决应用模型之间的数据交换和通信。文章介绍了产品主模型的概念及其特点,对产品主模型技术及其实施过程进行了深入研究。回顾了可扩展标记语言的产生和发展历史,并对其特性进行了较详细介绍;研究了基于可扩展标记语言技术实现系统集成的技术路线;最后,提出了基于可扩展标记语言技术和产品主模型技术的卫星总体方案多学科设计优化集成框架。     

亚轨道重复使用运载器总体多学科优化方法

针对亚轨道运载器总体设计多学科耦合的特点,从任务规划、学科建模、集成和求解策略等方面对多学科优化方法进行了研究。以助推亚轨道飞行器为对象,确定了学科模块组成、功能和数据耦合关系。建立了与总体设计过程相适应的7个学科模型,包括几何主模型、气动、推进、弹道、气动热、传热/热防护系统、结构。结合飞行器任务要求和基准方案,从系统级定义了多学科优化问题,包括目标函数、约束条件和设计变量。基于多学科软件框架集成学科模型,采用多学科可行法作为求解框架,建立了亚轨道飞行器多学科优化系统,选择SQP算法完成了以起飞总重为目标的优化。结果显示,优化后,发动机结构、热防护系统有所增加,但结构质量和燃油消耗减小,综合作用使总重减小2.4%,体现了多学科优化的协同作用。     

使用解析目标分流策略的海洋卫星多学科优化

在海洋卫星总体设计阶段,为了提高卫星整体设计性能和效率,采用多学科设计优化（MDO）技术对其总体参数进行设计优化。考虑轨道、有效载荷、结构和电源四个学科的设计变量和约束条件,以卫星总质量最小为优化目标建立海洋卫星MDO模型;针对各学科优化问题属性设计高效的优化方案并采用解析目标分流（ATC）这一多级MDO策略来协调整个优化过程。优化后海洋卫星总质量相对海洋一号（HY-1）卫星下降17.6%,整个优化过程花费的时间也比采用单级All at once(AAO)策略减少85.7%。一方面表明所建立的海洋卫星MDO模型的合理有效性,另一方面表明ATC策略结合学科定制优化方案的求解技术的有效性。