Application of multi-objective optimization to axial compressor preliminary design

The axial compressor is one of the most challenging components for aero engine design. The highly complex and multi-disciplinary design process is built up from several separate design phases differing with respect to the number of details. Typically, meanline prediction is the first step of the aerodynamic design process where the goal is to provide a first guess and proper choice of basic design parameters. As a preliminary design procedure it is one of the most important parts of the compressor design process since a poor design decision on these parameters cannot be corrected by subsequent development efforts. The design of a compressor is always a compromise between contradicting requirements like high efficiency, low number of stages and high surge margin. This is typical for multi-criterion optimization problems requiring a high number of design analyses and a well-designed procedure for finding trade-off solutions. The paper will show how to automate a given Rolls-Royce preliminary design process in order to find Pareto-optimal trade-off solutions for design conditions. The aspect of process acceleration is also an important goal to release the design engineer from time-consuming parameter studies. Essential elements for speeding up the design process are the use of modern process integration tools, multi-criterion decision concepts, and nonlinear programming algorithms. Results will be shown based on a given Rolls-Royce compressor design for multi-objective optimization with respect to maximum efficiency, maximum surge margin, and maximum overall pressure ratio, where different deterministic and stochastic algorithms are used.     

航空燃油离心泵参数化设计方法研究综述

燃油离心泵是航空发动机控制系统的关键动力元件,结合当前航空燃油离心泵技术发展和设计需要,本文总结对比了离心泵典型参数化设计及优化设计方法。首先分析了离心泵四种参数化设计方法的技术特点及其局限,考虑到离心泵参数设计方法中存在的随机性和盲目性问题,进一步补充分析了离心泵的结构优化方法,包括基于启发式算法的全局优化方法、基于梯度的优化设计方法和基于代理模型的优化设计方法三类,并指出了三类优化设计方法亟待解决的科学和技术问题。在此基础上,通过分析国外航空发动机燃油离心泵的发展状况,指出了我国航空发动机燃油离心泵所面临的技术挑战、问题和技术发展方向,并立足于现有国内设计基础,给出了夯实我国航空燃油离心泵设计能力需开展的基础性研究工作。     

鲁棒技术在飞机总体设计中应用的新发展

在回顾传统鲁棒设计方法的基础上，详细论述了鲁棒技术在多学科环境中，尤其是在飞机总体设计中的应用状况和最新发展，侧重讨论了多学科鲁棒设计中的不确定性分析、敏度分析和鲁棒设计模拟，并给出了多学科鲁棒设计的一般流程。对鲁棒设计领域中的不确定性、鲁棒设计和多学科3个专业术语进行了定义，并在最后展望了鲁棒设计在工程领域的研究前景。     

飞行器翼面颤振模型设计可行性分析

颤振模型设计是动力学反问题 ,其数学实质即广义特征值问题的反演。从反演可解性的基本理论出发 ,以某型号飞机高、低速颤振模型结构设计为背景 ,提出了模型结构设计必须遵循的准则。为减少模型结构设计的盲目性 ,提供了一个实用而有效的工具 ,并以具体的数值例子 ,说明了这个设计准则的实际应用。     

大型水陆两栖飞机翼型优化设计

对大型水陆两栖飞机翼型进行了数值优化设计研究,通过以翼型设计升力系数下的阻力系数最小化为设计目标和以翼型低头力矩、最大升力系数、失速后升力系数下降率作为约束条件的大型水陆两栖飞机翼型优化设计,在满足翼型相对厚度、最大厚度位置、最大弯度、最大弯度位置符合相应设计范围的情况下,得到了综合性能较基本翼型提高的新翼型.该设计方法适用于大型水陆两栖飞机的翼型设计,是一种符合工程应用实际的数值优化设计方法.      

透平机械零件振动的可靠性设计

以传统的振动设计方法为基础, 提出了透平机械零件振动的可靠性设计方法。介绍了透平机械零件的振动设计量分布参数的确定方法和避开共振、限制振动响应的可靠性计算模型, 并给出了透平机械的转子、轴承和叶片的可靠性设计方法及应用实例。      

基于仿真的机械产品设计系统

分析了现有CAD/CAE方法与产品设计的需求差异,指出:首先,性能分析与设计是机械产品设计的核心;其次,集成了CAD/CAE技术的产品设计应该是以CAE为中心的设计过程。提出了基于仿真的产品设计方法,构造了一种面向性能的产品设计系统。     

单级压气机气动优化设计

针对单排叶片气动优化设计难以保证级性能的问题,对一单级跨声速压气机进行了动静叶匹配的同时优化设计。以动叶中的掠、倾,静叶中的弯为设计自由度,对NASA Stage35进行了以气动设计点与峰值效率点为优化点的多工况气动优化设计,得到了动叶前掠、静叶向压力面侧弯曲的优化压气机级,其全工况性能均有不同程度的改善。     

制导火箭弹制导控制系统精益设计方法

制导火箭弹在陆军未来战争中正发挥越来越重要的作用，制导控制系统设计是制导火箭弹研制的核心和难题。提出了一种适用于制导火箭弹制导控制系统的精益设计方法，将设计过程分为数据处理环节、自动驾驶仪设计环节、制导律设计环节和六自由度仿真分析环节4个部分，并将标准化和基于模型的思想体现在精益化设计软件中，从而给出了一条可以又快又好地完成系统设计的技术途径。     

民机机身下部结构耐撞性优化设计

 针对含多设计参数的典型民机机身下部结构耐撞性设计,提出了一种设计方法,该方法以最小化客舱地板的初始加速度峰值与最大化参考压溃状态的结构内能为优化双目标,通过Kriging模型对结构的冲击响应进行预测,采用非支配排序遗传算法II(NSGA-II)对双目标进行优化,进而由Nash-Pareto策略获得最优方案。为了得到最优设计方案,同时研究设计参数对机身结构耐撞性的影响,提出最大化期望提高与最大化预测方差同步加点准则建立代理模型。采用该设计方法,以典型民机机身下部结构设计问题为算例,对客舱地板支撑结构、货舱地板和泡沫构件形状参数进行优化。结果表明,相对原始设计客舱地板的加速度峰值降低约18.3%,次高加速度峰值也得到有效降低,改善了机身结构的耐撞性;Kriging模型预测响应与有限元分析结果误差小于1%,说明了设计方法的有效性。     

Aerodynamic Design Methodology for Blended Wing Body Transport

This paper puts forward a design idea for blended wing body(BWB).The idea is described as that cruise point,maximum lift to drag point and pitch trim point are in the same flight attitude.According to this design idea,design objectives and constraints are defined.By applying low and high fidelity aerodynamic analysis tools,BWB aerodynamic design methodology is established by the combination of optimization design and inverse design methods.High lift to drag ratio,pitch trim and acceptable buffet margin can be achieved by this design methodology.For 300-passenger BWB configuration based on static stability design,as compared with initial configuration,the maximum lift to drag ratio and pitch trim are achieved at cruise condition,zero lift pitching moment is positive,and buffet characteristics is well.Fuel burn of 300-passenger BWB configuration is also significantly reduced as compared with conventional civil transports.Because aerodynamic design is carried out under the constraints of BWB design requirements,the design configuration fulfills the demands for interior layout and provides a solid foundation for continuous work.     

Conceptual design and flight simulation of space stations

This paper focuses on the conceptual design and flight simulation of space stations. Its goal is to discern the factors which influence the configurational design of a space station system. This is done in order to define an adequate methodology with an adapted set of computer tools for early conceptual design of space stations. First we review the history of space station design in order to show what factors drove conceptual space station designs in the past. After that, a methodological design approach for space stations is introduced with special emphasis on design rules applicable to the development of the configuration of a space station. Finally, the design example of a minimum space station with growth potential demonstrates the way in which methods and tools established in this study can be applied to a conceptual design problem.     

浅析民用飞机研制总体参数优化

分析了在概念设计阶段民用飞机总体设计工作内容和工作流程,并结合时下国外在用软件优缺点,构思了民用飞机总体设计参数综合优化的技术方案,包括优化设计架构、分析模型和优化算法等,为形成具有自主知识产权的民机总体设计综合分析和优化程序打下基础。     

飞机总体优化设计的新进展

回顾飞机总体优化设计的传统方法 ,介绍多学科优化方法在飞机设计中的应用状况和最新发展。重点讨论为解决设计变量过多和计算耗费太大问题提出的试验设计和响应面近似法以及带不确定性多学科优化的鲁棒设计方法。提出飞机总体优化设计的一些关键研究领域 :气动—结构、气动—隐身、结构—主动控制等 ,最后展望多学科优化在飞机总体设计中的应用前景     

民用飞机液压管路系统设计流程与方法

飞机液压管路系统设计的优劣直接影响着液压系统及用户系统的性能.为了形成设计指导,根据民用飞机的设计思路,从需求入手,总结民用飞机研制各阶段液压管路系统设计输入、输出信息的捕获、设计方法及应达到的设计目标.通过实例,验证了所采用的压降曲线谱快速分配、调整压降及管径方法简单有效,本文所总结的设计流程与方法能够指导民用飞机液压管路系统的设计.     

多级轴流压气机非设计性能的数值预估

采用LU-SGS隐式解法以及叶排间掺混面模型数值模拟压气机三维粘性流动,研究了多级轴流压气机的设计与非设计状态性能的预估问题。对一台五级高压压气机进行了详细的流场数值计算,包括了设计转速的100%,90%及80%等多个转速及各种工作状态。结果表明,本文所建立的数值方法与计算机程序对多级轴流压气机各种非设计状态的计算都具有收敛容易和快速的优点,计算得到的压气机总性能和各分级性能与设计参数进行了对比,证明该方法和程序的预估结果是比较准确的。根据设计转速下的计算结果,预估了压气机设计点的喘振裕度。此外,还对不同状态下叶片进口气流角的变化进行了分析。      

基于ADAMS的静叶联调机构参数化设计

针对压气机静子叶片调节机构空间运动关系复杂、设计难度大的问题,提出了1种以3维参数化仿真为核心,进行压气机静叶联调机构方案设计的方法.基于ADAMS平台建立调节机构的简易模型,利用软件参数化分析模块研究了模型中决定机构性能的关键设计变量的确定方法;在此基础上,以某型压气机调节机构为例,利用参数化方法进行了该机构的方案设计.结果表明:在方案设计阶段,参数化分析方法可快速、有效地进行调节机构结构参数选取与优化,使模型的运动/动力学仿真结果满足设计要求.     

用直观准则法的飞机翼面结构多约束优化计算

本文介绍应用直观准则法的翼面结构多约束优化计算程序SAFDOP。本程序可以分别对应力、位移、颤振和静气动弹性进行分析、优化和综合优化计算,采用约束轮换法进行综合优化计算。除应力约束采用满应力法外,其他各约束都采用均匀导数准则。为了实用,采用以元素链重量作为独立设计变量及在优化计算中自动筛选设计变量等方法,并考虑了初始数据的自动生成。用本程序计算了典型的歼击机机翼,取得了可以实用的结果。     

运输机驾驶员座椅人机工效设计研究

运输机驾驶员座椅是运输机驾驶舱设计中一项重点内容,其主要包括驾驶员座椅参考点确定,座椅结构尺寸、调节行程和约束系统等人机工效设计参数。运输机驾驶员座椅人机工效设计首先定义了符合中国人体生理特征和人体尺寸的驾驶员舒适坐姿,并建立舒适坐姿二维简化模型,利用经验公式结合人体尺寸分析计算出座椅参考点、座椅调节行程、座椅约束系统参数范围等人机工效设计参数值,并进行了人机工效虚拟仿真。结果表明,运输机驾驶员座椅人机工效设计参数合理可行,对固定翼类运输机座椅设计具有一定的指导价值。     

航空发动机强度设计系统建设与应用

结构强度设计是航空发动机设计、研制过程的重要组成部分。为了建立适用于航空发动机强度设计的体系平台,提升设计能力,依据航空发动机设计体系建设要求,结合航空发动机强度设计专业工作实际,提出“流程驱动、要素集成”的平台建设思想,并以流程模板的形式驱动工作任务的实施,实现强度设计系统的工程化应用。在系统建设过程中有效运用系统工程以及精细化工程等先进的方法,围绕“适用、好用、真用”的指导思想开展强度设计系统的建设与优化,搭建适合于强度设计专业的设计系统,重点解决工作流程、设计资源、工作任务、数据管理与型号及预研等实际工作相结合的问题,并将此系统应用于型号研制的强度设计工作中。