An optimal method of posture adjustment in aircraft fuselage joining assembly with engineering constraints

Posture of an aircraft fuselage can be evaluated based on the coordinate values of measure points fixed on the aircraft fuselage in aircraft final assembly. Posture adjustment is carried out by rotation and translation of the aircraft fuselage to make sure that the actual coordinate values of the measure points are coincided with the theoretical ones read from the computer aided design(CAD) model. The point registration method of posture adjustment without considering engineering constraints may cause out-of-tolerance for some engineering constraints. Hence, engineering constraints such as plane symmetry of two points, as well as coplanar and collinear of the multipoint should be considered in the new optimal method of posture adjustment in aircraft fuselage joining assembly. Based on the point registration model, a multi-objective optimization model of posture adjustment considering engineering constraints including collinear, coplanar, and symmetry constraints is established and represented by a uniform vector function. The weights of constraint conditions can be set freely in the optimization model to reflect the importance of the corresponding constraints in aircraft fuselage joining assembly. The rotation and translation parameters of posture adjustment are obtained by the proposed multi-objective optimization algorithm based on the Gauss-Newton method. Results of an example of aircraft fuselage joining assembly show that constraint errors of posture adjustment obtained by the multi-objective optimization model are not out of tolerance for design constraint errors and satisfy the requirement of aircraft fuselage joining assembly.     

基于混合优化算法的无叶片粒子分离器优化设计

将混合优化算法引入粒子分离器优化设计,减小粒子分离器流动损失并简化结构.利用四次样条曲线参数化描述粒子分离器模型,建立粒子分离器自动化仿真流程.采用优化拉丁方实验设计方法获取样本点并建立椭球径向基函数神经网络代理模型,基于该模型使用非支配排序遗传算法进行全局多目标优化,最后采用序列二次规划算法进行局部优化,得到了粗砂分离效率达到100%、细砂分离效率达到86.7%,总压损失小于0.6%、出口总压畸变较小的设计方案.      

高超声速飞行器再入轨迹多目标优化

针对飞行器再入轨迹多目标优化问题,提出了一种基于粒子群算法与层次分析法的综合求解策略。首先,根据飞行器的动力学模型以及再入约束条件,建立了飞行器多目标优化模型;然后,考虑到粒子群算法只能求解无约束单目标问题,采用罚函数处理飞行过程中的约束条件和优化目标;最后,针对不同约束及目标的权重对再入轨迹的影响,利用层次分析法建立包含主观评估信息的优化模型,采用粒子群算法优化求解满足相应约束条件的再入轨迹问题。仿真结果表明,该方法所生成的优化轨迹具有较高的精度和计算效率,并对设计者的主观需求有良好的体现。     

基于工程环境的气动多目标优化设计平台研究

工程环境中,飞机气动力设计面临在多个目标和多种约束条件下寻找最优值,需在较短时限内完成设计优化,并保证最终方案可靠。基于高性能计算环境,采用现代计算流体力学(CFD)数值模拟技术和优化技术等构建了面向实际工程的飞行器气动多目标优化设计平台:采用基于非均匀有理B样条(NURBS)方法的自由曲面变形技术,实现对工程复杂气动外形的参数化表达;采用网格变形技术,实现优化过程中计算网格的自动更新;采用基于有限体积方法和多块结构网格的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程并行解算器进行气动力求解;采用基于精英保留策略的非支配排序的多目标遗传算法(NSGA-II)进行多目标全局优化求解;采用非线性单纯形算法进行局部优化求解,优化过程中,通过人工调整优化种群,引入人工经验,构建"人在回路"的设计流程。以某翼型/机翼气动力优化设计为例对该平台技术进行验证:多目标优化设计可得到清晰的Pareto前沿解分布;优化后的翼型/机翼在满足各项约束的前提下,具备更高的综合气动性能。结果表明:所发展的气动多目标优化设计平台具有很好的工程适用性。     

Multi-infill strategy for kriging models used in variable fidelity optimization

In this paper, a computationally efficient optimization method for aerodynamic design has been developed. The low-fidelity model and the multi-infill strategy are utilized in this approach. Low-fidelity data is employed to provide a good global trend for model prediction, and multiple sample points chosen by different infill criteria in each updating cycle are used to enhance the exploitation and exploration ability of the optimization approach. Take the advantages of low-fidelity model and the multi-infill strategy, and no initial sample for the high-fidelity model is needed. This approach is applied to an airfoil design case and a high-dimensional wing design case. It saves a large number of high-fidelity function evaluations for initial model construction. What’s more, faster reduction of an aerodynamic function is achieved, when compared to ordinary kriging using the multi-infill strategy and variable-fidelity model using single infill criterion. The results indicate that the developed approach has a promising application to efficient aerodynamic design when high-fidelity analyses are involved.     

基于自由变形技术的分流叶片形状优化设计

基于自由变形技术(FFD)和计算流体力学(CFD)建立了离心压缩机叶片形状优化设计的方法,从而避免了对复杂的实体造型本身进行参数化,提高了优化效率。首先基于自由变形技术建立分流叶片外形的参数化表示,根据优化拉丁超立方试验设计方法构建控制点变化的样本空间,接着通过CFD数值仿真获得各样本的性能参数并建立响应面分析法(RSM)模型,以压缩比与等熵效率最大化目标构建多目标优化模型,进一步采用最小偏差法转化为单目标优化模型并进行求解,最后分析比较了形状优化对压缩机性能和流道内流体流动的影响。结果表明形状优化后压缩机的压缩比提升0.46%,等熵效率提升0.84%,同时减少了流道内低速区域,降低了流动损失。      

基于全局信息的粒子群算法翼型综合优化设计

 翼型优化往往需要考虑众多的设计目标和约束条件,对此发展了稳健高效的翼型综合优化方法。在粒子群优化算法中用繁殖策略深度挖掘由Kriging代理模型所获取的全局信息,对基准函数优化、翼型几何外形重构与层流翼型优化问题进行了测试,结果表明该算法可大幅度提高优化速度。将改进的Hicks-Henne翼型参数化方法和雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程流场求解器与优化算法相结合,采用可方便确定权重系数的多目标非线性适应值加权方法,分别对多点、多目标和多约束的超临界翼型与低速翼型进行综合优化,计算结果表明该方法可大大提高气动外形优化的工程实用性。     

Adaptive-surrogate-based robust optimization of transonic natural laminar flow nacelle

Natural Laminar Flow (NLF) technology is very effective for reducing the skin friction drag of aircraft engine nacelle, but the aerodynamic performance of NLF nacelle is highly sensitive to uncertain working conditions. Therefore, it’s imperative to incorporate uncertainties into the design of NLF nacelle. In this study, for a robust optimization of NLF nacelle and for improving its efficiency, an adaptive-surrogate-based robust optimization strategy is established, which is an iterative optimization process where the surrogate model is updated to obtain the real Pareto front of multi-objective optimization problem. A case study is carried out to validate its feasibility and effectiveness. The results show that the optimization increases the favorable pressure gradient region and the volume ratio of the nacelle by increasing its lip radius and reducing its maximum diameter. And the aerodynamic robustness of the NLF nacelle is mainly determined by the lip radius, maximum diameter of nacelle and location of the maximum diameter. Compared to the initial nacelle, the optimized nacelle maintains a wide range of low drag and high laminar flow ratio in the disturbance space, which extends the average laminar flow region to 21.6% and facilitates a decrease of 1.98 counts in the average drag coefficient.     

大展弦比前掠翼气动隐身多目标优化

前掠翼布局优越的气动性能为无人机气动布局设计提供了一条新的方向。采用CST方法对翼型几何外形进行参数化描述,实现前掠翼气动和隐身多学科优化设计模型的参数化描述。建立了基于N-S方程的计算流体力学方法的前掠翼气动分析模型和基于矩量法的计算电磁学方法的前掠翼隐身分析模型。提出了基于Kriging模型的前掠翼气动隐身多目标优化方法,采用拉丁超方试验设计方法获取样本点,建立前掠翼气动和隐身的Kriging代理模型。将Pareto多目标遗传算法与Kriging代理模型结合进行大展弦比前掠翼的气动隐身多目标优化设计。研究结果表明,所建立的分析模型是合理的,所提出的多目标优化设计方法是可行的,能够有效提高大展弦比前掠翼性能与优化效率。     

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。     

航空齿轮减速器稳健优化设计研究

航空齿轮减速器通常对重量、强度、效率以及可靠性有极高的要求,考虑到其所处工况的随机性、工艺水平的差异性以及材料强度等力学性能参数的波动性,传统的确定性参数优化设计已不能满足工程实际的需求。在传统的确定性优化设计模型的基础上,基于6σ稳健设计基本理论建立齿轮传动系统的多目标稳健设计优化模型,并采用NSGA-Ⅱ多目标优化算法进行求解;以某航空齿轮减速器中单级斜齿圆柱齿轮系统为研究对象进行实例分析。结果表明:本文提出的基于6σ稳健设计理论的齿轮传动系统优化模型充分考虑了不确定性因素对优化的影响,具有一定的工程应用价值。     

基于试验设计-遗传算法的船用柴油机冷却系统多目标优化

为了获取某型船用柴油机冷却系统的最佳运行参数,在柴油机可靠运行的前提下,尽量提升动力性和经济性。建立了柴油机工作过程-燃烧室-冷却系统耦合仿真模型,提出试验设计-遗传算法优化算法,该算法具备节省试验成本和多目标全局寻优的优势,选取柴油机的6个典型推进工况点进行研究,采用该算法对冷却系统运行参数开展多目标优化设计,优化设计以海、淡水泵转速为变量因子,以提升动力性参数和经济性参数为目标,以涡前排温、淡水出机温度和峰值缸压为约束条件,优化后,在低负荷点,淡、海水泵节省功耗79.4%、71.73%,扭矩提升7.2%,有效功率提升7.6%,热效率提升8%,耗油率降低6.73%,摩擦功降低9.71%,峰值缸压降低5%。研究结果表明：耦合仿真模型与实机更加贴近;试验设计-遗传算法在解决强耦合、非线性系统的多目标优化问题具备成本低、效率高、精度高的优点。     

旋翼翼型多目标多约束气动优化设计

为了克服传统旋翼翼型优化设计方法的不足,发展了一种基于Kriging模型与遗传算法的旋翼翼型多目标多约束气动优化设计方法。采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程的数值模拟获得样本翼型气动性能,并建立目标函数和状态函数的Kriging模型,采用遗传算法搜索Kriging模型最小值和相应的EI(Expected Improvement)函数最大值,更新Kriging 模型直至找到满足约束的最优翼型。运用加权目标函数法进行了旋翼翼型的多设计点优化设计。优化结果表明,优化后旋翼翼型在满足约束的同时,与基准旋翼翼型OA209相比:在悬停状态下,阻力系数下降了2.1%;在机动状态下,最大升力系数提高了4.2%;在前飞状态下,阻力系数在不同马赫数下均有所减小。     

某型倾转旋翼机的旋翼桨叶气动优化设计

倾转旋翼机的旋翼气动外形设计需要对其直升机模式和固定翼模式下的不同要求进行综合考虑。通过基于Kriging模型的多目标遗传算法建立一套适用于倾转旋翼桨叶气动外形优化设计方法,采用拉丁超立方抽样试验设计方法得到样本点,并建立Kriging模型替代费时的流动数值模拟。以最大化旋翼地面悬停拉力和高空巡航效率为目标,以地面悬停功率不增和巡航拉力不减为约束条件,进行倾转旋翼桨叶平面形状优化设计,并经过非定常数值模拟和风洞试验验证。结果表明:数值模拟结果和风洞试验结果吻合良好,优化结果满足设计指标。     

Pareto多目标算法在离心压缩机蜗壳优化中的应用

基于Pareto多目标算法构建了一套针对离心压缩机蜗壳的气动优化系统,该系统集成了参数化建模、ICEM网格划分、CFX计算和CFD组合优化技术.利用该系统以总压损失系数和静压恢复系数为目标变量针对椭圆截面离心压缩机蜗壳进行气动优化设计.优化后的模型与初始模型相比总压损失系数降低11.79%,静压恢复系数升高16.97%,蜗壳内部二次流减少,蜗壳与叶轮更加匹配,表明该方法能够有效地提高离心压缩机的整体性能.      

联翼布局传感器飞机多目标优化设计

针对联翼布局传感器飞机的任务需求特点,建立了专用于该类无人机的能够综合考虑气动、结构和雷达性能的多目标优化设计模型。利用改进的类函数/形函数参数化方法完成整机外形进行参数化,利用风洞试验进行了气动分析模型的验证,基于工程梁理论搭建了联翼布局结构重量估算模型。在雷达距离方程的基础上,建立了机翼内部雷达天线性能估算的数学模型。利用该模型,能够在优化过程中考虑到内置机载预警天线安装位置和性能评估对翼型选择、结构重量和气动特性的影响,最终得到全局最优设计。对某方案的优化结果表明,相较于优化前,多目标优化结果能够明显提升整机升阻比和前后视雷达探测范围,同时减轻结构重量。优化结果和敏感性分析表明了该多目标优化模型的可行性和必要性。     

基于截尾概率-非概率混合模型的可靠性优化算法

针对工程中截尾概率变量与非概率变量同时存在的情况,给出一种新的截尾概率与非概率混合可靠性模型。在该混合可靠性模型基础上,按照可靠性指标(RIA)法给出双层嵌套可靠性优化模型,并采用改进搜索策略后的ST-Powell优化算法在外层搜索设计变量的最优值,内层采用能保证收敛的改进的有限步长迭代法求解混合可靠性指标。数值算例表明,改进搜索策略后的ST-Powell优化算法的全局寻优性得到显著提升;改进搜索策略后的ST-Powell优化算法与改进的有限步长迭代法相结合求解双层嵌套混合可靠性优化模型的正确性得到验证,且对于非线性程度较高的极限状态函数同样能够得到满足截尾概率与非概率混合可靠性模型指标要求的最优解,并对工程结构算例具有很好的适应性。     

Multi-objective Optimization Method for Automatic Drilling and Riveting Sequence Planning

 There are numerous riveting points on the large-sized aircraft panel, irregular row of riveting points on delta wing. It is es-sential to plan the riveting sequence reasonably to improve the efficiency and accuracy of automatic drilling and riveting. Therefore, this article presents a new multi-objective optimization method based on ant colony optimization (ACO). Multi-objective optimization model of automatic drilling and riveting sequence planning is built by expressing the efficiency and accuracy of riveting as functions of the points’ coordinates. In order to search the sequences efficiently and improve the quality of the sequences, a new local pheromone updating rule is applied when the ants search sequences. Pareto dominance is incorporated into the proposed ACO to find out the non-dominated sequences. This method is tested on a hyperbolicity panel model of ARJ21 and the result shows its feasibility and superiority compared with particle swarm optimization (PSO) and ge-netic algorithm (GA).     

基于云蚁群算法的高效节能氩弧焊工艺参数优化研究

为在氩弧焊加工过程中提升效率的同时降低能耗,研究了一种氩弧焊高效节能工艺参数的多目标优化模型及算法。首先确定了以焊接速度及焊接电流为优化变量,在综合考虑焊接设备、工件特性、操作方法及焊接质量等约束的前提下,建立了以最小电能消耗以及最短加工时长为优化目标的多目标工艺参数优化模型;提出一种基于云模型的蚁群算法(CBACO)以对所构建的优化模型进行求解,其中包含一种适当的编码方式、一种局部与全局相结合的探索策略、一种基于云模型的变异因子、传统的单点交叉因子、单形交叉因子以及适当的选择策略;通过一个针对某航空器油箱的焊接实例,对所提出的优化模型及算法的实用性进行了验证,结果表明优化参数可在保证加工质量的前提下有效地节省时间60.41%~69.05%,节省电能34.88%~46.30%。     

复合式旋翼飞行器多目标控制分配策略

针对复合式旋翼飞行器操纵冗余多模式切换控制问题,提出一种基于赋权多目标混合优化的控制分配策略。该策略根据复合式旋翼飞行器过渡模式舵面操纵特性,建立飞行器带约束过渡过程控制分配模型;设计混合多目标优化性能指标评价函数,有效处理操纵量控制受限、交叉强耦合及非线性特性,并减少舵面耗能;采用改进的粒子群优化算法动态更新操纵量及控制通道的权系数矩阵,提高控制面操纵效率,加快优化搜索速度,快速求解过渡过程多目标控制分配变量。该策略实现复合式旋翼飞行器模式切换过渡过程实时有效地操纵量控制分配,保证飞行器快速准确跟踪控制指令的能力。同时,通过多目标控制分配策略,飞行控制系统不需要增加额外的模式切换控制器,降低系统设计难度,提高安全性。