多学科设计优化及其在飞机设计中的应用

多学科设计最优化体现了先进飞行器追求整体最优的一种设计思想,是降低全寿命成本的有效途径,是并行工程的重要组成部分,是计算机技术、信息技术和最优化理论迅速发展的产物,对推动技术进步,增强国力具有重大作用。本文介绍了多学科设计优化技术的必要性、多学科设计的核心内容和关键技术以及国外多学科设计的工程应用情况。     

支线飞机的非常规/常规融合布局研究

为了在支线飞机设计中利用非常规布局的优势提高其性能,同时避免其所带来的问题,提出基于飞翼的非常规/常规融合布局。首先介绍运输类飞机非常规气动布局飞翼的突出优势和面临的问题,然后提出非常规/常规融合布局,最后通过设计方案的逐步迭代改进和优化,得到气动性能优于新一代支线飞机的非常规/常规融合外形布局方案,其中巡航升阻比提高了约7.5%、阻力发散马赫数提高了约2.5%、巡航效率因子提高了约7.5%,同时确保了飞机具有良好的机场适应性。基于飞翼的非常规/常规融合布局方案具有进一步提升性能的潜力,同时避免飞翼的其他一些不利方面,为未来非常规布局运输飞机的研究奠定一定的基础。     

多学科设计优化方法在飞机设计中的应用研究

多学科设计优化(MDO)方法是提高飞机设计效率,得到最优设计方案的有效手段。在飞机设计过程中,需要确保飞机静安定裕度满足使用要求,因此需要充分考虑总体、气动等学科专业的耦合效应。针对这一问题,基于MDO软件Modelcenter构建飞机外形多学科优化协同设计流程,通过对某型飞机外形优化设计的实例分析,得到该机的最优外形修改方案,证明了MDO方法在飞机设计中应用的高效性。     

飞翼布局在无人侦察作战飞机上的应用探讨

从飞翼布局的特点出发,分析将飞翼布局应用于无人侦察作战飞机的优势,并探讨了将飞翼布局在应用中引入的几个主要技术问题。最后,指出飞翼布局是无人侦察作战飞机气动布局的较好选择。     

采用RSS功能的飞翼布局飞机控制系统的实现

详细论述了RSS的原理，以及它给现代飞机带来的巨大好处，同时清晰地分析了飞翼布局的优点以及设计上的困难。阐述了采用RSS功能的飞翼布局飞机所出现的难于控制和安定性下降的问题，提出了飞行控制的解决办法，为新型飞机设计提供思路。     

基于服务的高性能多学科优化计算在飞机设计中的应用

基于服务构架(SOA)的高性能多学科优化计算在飞机设计的应用中,能够解决超大规模设计变量和资源不足带来的一系列问题.本文介绍了先进的优化计算方法和基于高性能计算平台的解决途径及优势,并以BRIDGE项目为例介绍了该平台的具体应用.这一研究工作得到了国家"863"计划项目的支持.     

多学科设计优化算法及其在飞行器设计中应用

多学科设计优化(MDO)算法是复杂系统设计优化的策略。对现有的各种MDO算法及其在飞机设计中应用状况进行分析、归纳和评述。内容包括:MDO问题的表述及其有关术语;MDO算法的任务;现有的MDO算法及其应用。     

基于多学科设计优化技术的飞机概念设计软件平台

为提高飞机总体设计水平,缩短设计周期,基于多学科设计优化理论,采用数字化模型技术和变复杂度建模技术,采用产品数据管理思想,设计并实现了飞机概念设计软件平台.阐述了软件平台的设计思想、系统组成和基本流程,分析了所解决的关键技术问题.并以干线机概念设计作为应用对象,进行了软件平台的验证,结果验证了软件平台对飞机概念设计支持的有效性和可行性.     

BLISS研究及其在飞机设计中的应用

研究了两级综合系统分析(BLISS)多学科设计优化方法的结构,通过精心设计的数学算例来测试其效率,并将其应用于某通用航空飞机的总体参数优化问题中,结果与不分解优化的结果非常接近,验证了BLISS方法在飞机多学科设计优化中的有效性。最后,对BLISS方法的收敛性和效率进行了总结和评价,并指出了其需要改进的地方。     

飞机设计新技术——多学科设计优化

本文概述飞机多学科设计优化技术的意义、内容,介绍国外多学科设计优化研究状况,阐述多学科设计优化与并行工程的关系,提出了基于网络的飞机多学科设计优化计算机环境的思想。     

Aerodynamic/Stealthy/Structural Multidisciplinary Design Optimization of Unmanned Combat Air Vehicle

An optimization strategy is proposed to deal with the aerodynamic/stealthy/structural multidisciplinary design optimization (MDO) issue of unmanned combat air vehicle (UCAV). In applying the strategy, the MDO process is divided into two levels, i.e. system level optimization and subsystem level optimization. The system level optimization is to achieve optimized system objective (or multi-objective) through the adjustment of global external configuration design variables. The subsystem level optimization consists of the aerodynamic/stealthy integrated design and the structural optimization. The aerodynamic/stealthy integrated design aims at achieving the minimum aerodynamic drag coefficient under the constraint of stealthy requirement through the adjustment of local external configuration design variables. The structural optimization is to minimize the structural weight by adjusting the dimensions of structural components. A flowchart to implement this strategy is presented. The MDO for a flying-wing configuration of UCAV is employed to illustrate the detailed process of the optimization. The results indicate that the overall process of the surrogate-based two-level optimization strategy can be implemented automatically, and quite reasonable results are obtained.     

飞翼布局隐身翼型优化设计

针对飞翼布局设计中气动与隐身设计矛盾更为突出的问题,采用高精度气动和隐身计算方法,建立了基于Parsec参数化方法、径向基函数（RBF）神经网络、Pareto遗传算法和松散式代理模型管理方法的翼型多目标优化设计平台。根据飞翼布局内外翼不同功能和特点,确定了内外翼翼型不同的优化设计目标和约束条件,开展了兼顾气动与隐身性能要求的翼型综合优化设计研究。结果表明：对兼顾气动与隐身性能要求的飞翼布局,内翼段翼型主要通过弯度、前缘半径、尾缘角及厚度等设计,减小低头力矩和重点方位角的雷达散射截面（RCS）均值。外翼段翼型上表面的几何形状对跨声速气动效率的影响很大,应通过上表面设计提高跨声速气动效率,重点方位角RCS均值的减小则通过下表面设计实现。某些翼型参数对气动和隐身性能均有较大影响,但作用相反,应作为综合优化设计的主要设计参数,并采用不同的优化设计策略。Pareto方法给出的前沿阵面可为飞翼布局的三维设计提供更丰富的信息。     

协同优化在机翼气动／结构一体化设计中初步应用

探讨协同优化方法是否能有效地解决机翼气动 结构一体化设计优化问题。首先对基本的协同优化和基于响应面协同优化二种方法的特点进行了探讨,然后以轻型飞机机翼气动 结构一体化设计为例,着重研究如何用协同优化方法建立机翼气动 结构一体化设计的优化模型。研究结果表明,基本的协同优化算法不能有效地解决该机翼气动 结构一体化优化问题,而基于响应面的协同优化方法在求解这一问题时具有较好的鲁棒性。     

飞行器多学科综合设计新算法

 为解决飞行器多学科设计优化难点问题,提出圆环图网络设计安排、主要设计变量确定方法、三次黄金分割法确定正交设计水平以及无量纲化多目标处理法,并将正交迭代和神经网络计算相结合以形成一种新算法,来寻求最优解。算例表明算法在飞行器设计中有效。     

基于二级优化的低RCS外形设计方法

针对飞行器外形隐身优化问题,提出了一种流程简单,可同时优化外形轮廓和剖面形状的二级优化方法。这种方法将优化流程分为外形轮廓级和剖面形状级两个层次:外形轮廓级优化任务是将轮廓形状参数传递给剖面形状级,并对外形轮廓进行优化;剖面形状级优化任务是对剖面形状进行优化,并将目标函数值返回外形轮廓级。二级优化的最终结果可获得最优的轮廓形状和剖面形状。以一个具有低RCS特征的飞行器机身为算例,验证了这种二级优化方法的可行性和有效性。     

翼面隐身结构电磁散射特性稳健优化设计研究

隐身结构是指由蒙皮和多种内部材料组成的、能满足承载要求、并具有明显降低雷达散射截面(RCS)的结构.阐述了一种典型的翼面隐身结构方案.为了进一步挖掘该隐身结构减缩RCS的潜力和考虑到实际情况中作为设计变量的吸波材料、玻璃钢电磁参数以及内部几何形状会有一定偏差,应用基于代理模型的优化策略,对其进行电磁散射特性稳健优化设计.研究结果表明,经过优化设计后,能显著降低翼面隐身结构RCS及其对设计变量的敏感性.     

飞机多学科设计优化中的并行多目标子空间优化框架

 针对现有的并行子空间优化框架存在的各子空间仅能有一个优化目标等局限,提出了并行多目标子空间优化框架。该框架将各个学科的优化问题由以往的单目标优化改进为多目标优化,使得每个子空间可以分配到多个优化目标、各子空间的设计变量可以重叠,并且在一次优化中就可获得优化问题的Pareto前沿。介绍了新框架的基本思想和流程,并且阐述了新的学科解耦、子空间的并行优化和系统级的设计变量综合方法。以一个飞机总体设计问题为例,考虑气动、隐身与控制学科,对翼面几何参数和控制律参数进行了优化设计,验证了并行多目标子空间优化框架的有效性和相对于已有方法的优势。     

基于近似技术的高亚声速运输机机翼气动/结构优化设计

探索基于近似技术的高亚声速运输机机翼气动/结构多学科设计优化方法,建立了基于近似技术的多学科设计优化框架。气动学科采用全速势方程加黏性修正进行翼身组合体跨声速流动的气动计算,结构学科采用有限元分析方法进行应力与变形计算。采用均匀设计法给出若干样本点,分别采用二次响应面、Kriging模型和径向基神经网络等多种近似技术,构造气动学科和结构学科的近似分析模型,并对几种近似模型精度进行了分析和比较。研究发现,Kriging模型和二次响应面具有几乎等同的较高的近似精度,神经网络的近似精度则较差,由于二次响应面计算量更小,故最终选定为机翼设计优化的近似方法。以升阻比和结构重量为目标,考虑升力、机翼面积以及应力和应变约束条件,对运输机机翼4个外形参数和4个结构参数进行多目标、多约束优化设计。优化后的机翼具有较好的气动/结构综合性能,表明本文方法是可行的。     

智能优化算法在飞机总体设计中的应用

飞机总体设计在飞机的整个设计过程中是非常关键的步骤,在这个过程中,飞机的总体布局和许多重要参数都被确定下来。但是,飞机的总体设计又是一个复杂和艰难的过程,因为涉及到大型系统的有约束的非线性优化问题,用传统优化方法很难得到满意的结果。本文采用了近年来发展很快的几种智能优化算法--遗传算法、模拟退火算法、禁忌搜索算法、Hopfield神经网络算法解决飞机总体设计优化问题,阐述了各算法的关键步骤及运行过程,并编写了相应的计算程序。通过对各种算法的结果进行比较和讨论,最后的结论是：模拟退火算法最适合求解这类复杂的约束非线性优化问题,禁忌搜索算法和遗传算法次之,Hopfield神经网络算法效果最差,容易陷入局部最优解。