Pareto遗传算法在气动外形优化中的应用

Pareto方法作为一种多目标优化方法,能够一次性获得优化问题对应的不同权重分配情况下的所有最优解集。它与遗传算法结合产生的Pareto遗传算法,是求解多目标优化问题的Pareto最优解集合的一种有效手段。本文将两种常用的Pareto遗传算法,MOGA方法和两支联赛遗传算法应用到气动外形优化中,针对具体算例进行气动外形的优化设计,得到了满意的优化设计结果。     

定子磁场定向控制的异步电机无速度传感器低成本控制系统

开发了基于高性价比DSPMC56F8013的低成本异步电机控制平台,研究了一种基于定子磁场定向的异步电机无速度传感器控制算法。该算法结构简单,易于实现,对电机参数依赖性小。文中提出定子磁链校正因子,用于补偿低速运行时由于一阶低通滤波器的使用而造成的定子磁链观测误差。新颖的转速调节器,保证电机在动态过程中以最大转矩运行。系统仿真和原理样机的试验结果表明,整个控制系统具有良好的动态和稳态性能。     

基于伴随方程和自动微分的雷达散射截面表面灵敏度计算

反隐身技术的发展对军用飞行器的隐身性能提出更高要求，针对经典电磁场伴随方法无法获得表面灵敏度，难以为优化设计提供直观指导，且梯度求解时需反复填充阻抗矩阵，当设计变量、入射角度较多时梯度求解效率下降的问题，提出了基于伴随方程和自动微分的雷达散射截面表面灵敏度计算方法，并结合基函数特点提出了表面灵敏度的稀疏存储和稀疏矩阵-矢量相乘方法，避免了直接计算表面灵敏度时计算量、存储量无法承受的问题。提出的表面灵敏度计算方法可以通过一次阻抗矩阵偏导数求解得到所有网格点的表面灵敏度，避免反复填充阻抗矩阵的问题。当入射角度改变时，求解任意数量设计变量梯度的计算量约为8次矩阵-向量乘，显著提升基于伴随方程的梯度计算效率，为作战飞机气动隐身一体化优化设计提供有力技术支撑。     

高超声速滑翔飞行器锐边化气动隐身一体化设计

隐身性能是影响高超声速武器作战效能的关键指标之一，为提高高超声速滑翔飞行器的生存及突防能力，以HTV-2飞行器为初始外形，引入锐边化设计思想，提出一种兼具良好隐身性能的气动外形。首先采用CFD数值模拟和高频近似算法，对初始外形气动特性及隐身特性进行评估。接着通过截取重要截面轮廓线，在轮廓线上均匀选取控制点。最终将离散点重构成三维外形，设计了一种锐边化飞行器外形。在此基础上计算评估了锐边化外形的升阻特性及雷达散射截面（RCS）。与原外形对比可知锐边化外形气动性能变化较小，气动力系数变化量不超过7%；同时在主要威胁区域（即俯仰角±30°、偏航角±60°角域）内飞行器的RCS均值显著降低，平均降幅超20%。此外为消除边缘绕射的影响，通过倒圆角的方式对锐边化外形的棱边进行了圆润化处理，实现了主要威胁区域内RCS均值的进一步减缩，平均降幅超过60%。此外进一步研究了在不同位置倒圆角及圆角半径对飞行器隐身特性的影响。结果表明在尾部截面倒圆角能较大程度改善飞行器的隐身特性，圆角半径与飞行器特征长度之比为1.35%时较佳。     

声激励下的剪切流稳定性

受控小扰动对流动稳定性与流场结构的调制作用具有潜在价值，但机理和失稳过程目前尚未完全明确。采用格子Boltzmann数值方法，对声场扰动条件下平行剪切流失稳过程开展了直接模拟研究，探讨了流动失稳的机理。研究表明，点源声场作用下的剪切流失稳形式依赖于激励声波的波长—文中定义为长波模式和短波模式，声波振幅的空间分布不均匀性是剪切层失稳的重要诱因。在短波模式下，受多普勒效应影响，剪切层上下两侧声波叠加效应导致流动上游区域压力脉动的波包结构；该结构的波长与剪切层失稳波长匹配，诱导流动失稳发生。在长波模式下，剪切层上声源垂直入射区首先失稳，剪切层对声波反射的方向选择性导致声压波动振幅分布的对称性破缺，且失稳区压力波动波长随时间推进而逐渐减小。当该波长落入剪切层失稳波长范围内时，剪切层流动开始失稳。     

高速自然层流翼型高效气动稳健优化设计方法

先进高速高升力自然层流(NLF)翼型的设计已经成为提高新一代高空长航时(HALE)无人机(UAV)性能的重要手段。然而这类翼型表面极易出现分离泡和激波等，尤其对于马赫数、飞行攻角等状态波动气动特性非常敏感，这导致传统的层流翼型设计方法设计的外形在面向工程应用中出现稳健性差，难以被工程使用。气动稳健设计(RADO)方法虽然是一种有希望的解决途径，但它遭遇了巨大计算花费的难题。为了解决这些问题，通过对影响气动稳健优化设计效率的关键技术进行研究，发展了基于自适应前向-后向选择(AFBS)的稀疏多项式混沌重构方法，极大改善了不确定分析(UQ)和稳健优化效率。同时，也发展了考虑多参数不确定的高效气动稳健优化设计方法，有效解决了传统翼型设计方法难以满足高速高升力自然层流翼型设计要求兼顾高升力设计、自然层流设计以及超临界设计的难题。最后使用发展的方法成功设计了一类具有典型特点的跨空域稳健自然层流翼型。结果表明设计的翼型相对于经典的全球鹰无人机翼型气动性能全面提升，同时低阻范围更大，气动性能更加稳健，从而验证了稳健优化方法的有效性和相对于确定性设计的优势。     

超声速飞行器近场声爆信号反演技术

超声速民机是新一代民机的重要发展方向，其独有的声爆现象是制约其在陆地上空进行超声速飞行的最关键因素。对超声速飞行器的气动外形进行反设计是声爆抑制的有效途径。基于等效面积分布开展反设计，需要远场感知声压级作为直接指导。为此，提出了逆向传播分别与本征正交分解（proper orthogonal decomposition, POD）及伴随方程结合，根据远场声爆信号反演近场声爆信号的方法。采用第二届声爆会议（SBPW）提供的LM1021标模算例，并从远场频域内声压级、响度级和感觉噪声级进行反演可信度评估。结果表明，对于给定的任意远场声爆信号，基于逆向传播结果进行POD反演及伴随方程反演，都可以得到较为准确的近场过压信号，且伴随方程反演方法具有更优的高频信号即局部激波信号反演能力，远场感知声压级更精准。反演结果相应的等效面积分布与参考值高度吻合，表明此方法能够为等效面积指导的低声爆气动优化设计提供基础。     

石墨烯增强铝基复合材料制备技术及强化机制研究进展

具有二维平面结构和优异综合性能的石墨烯已成为铝基复合材料制备的理想增强体之一。本文主要介绍了液态成形法、粉末成形法和复合加工工艺等三大类石墨烯增强铝基复合材料制备技术。通过对不同类型制备技术的原理分析，结合石墨烯增强铝基复合材料的四种强化机制，总结出石墨烯增强铝基复合材料的发展方向应以复合材料的基础理论研究、制备技术的突破和大规模的工业化应用为主。     

基于平面约束人工势场的无人机航迹规划算法

航迹规划是实现无人机自主导航飞行的关键。针对人工势场法应用于无人机航迹规划时出现的规划失败、实用性不强的问题，本文提出一种基于平面约束人工势场的航迹规划算法。首先，利用约束平面切割障碍物，简化了障碍物的分布。其次，构建航迹的可行性约束条件，并建立了基于约束平面的人工势场法。最后，综合并改进了一种额外控制力法和常用的改进势场函数。仿真验证表明，该算法克服了传统人工势场法未考虑无人机物理性能限制、易陷入局部最小值以及目标不可达的问题，同时提高了航迹规划质量。通过本文研究，人工势场法的不足得到了改善，有利于人工势场法在无人机航迹规划领域的应用与发展。     

低声爆超声速客机声爆预测及不确定度量化分析

声爆精确预测问题是制约超声速客机技术突破的关键瓶颈之一。由于大气来流条件不断发生波动存在不确定性，为得到更可靠的声爆近/远场信号，需考虑来流参数的不确定性对声爆预测结果的影响，并甄别其中影响声爆预测的关键性因素，为工程实际应用提供有价值的参考。本文基于CFD声爆近场信号模拟和增广Burgers方程的声爆远场信号预测方法，对第三届声爆预测研讨会（SBPW-3）的C608低声爆超声速飞行器开展了声爆信号特性分析。首先，采用约5 021万非结构混合网格半模计算了近场过压值，并研究了远场地面波形计算的时间和空间网格收敛性。接着，分析了基准状态下复杂近场流动特征及地面波形特征，通过与C608飞行器公开数据对比，验证了该方法和自研程序的准确度。此外，研究了不同物理模型和大气相对湿度对地面波形的影响。在此基础上，运用基于非嵌入式多项式混沌（NIPC）方法开展了对不同来流参数（来流马赫数、来流攻角和单位雷诺数）的不确定度量化分析和敏感性分析。结果表明，在给定的输入变量不确定度条件下，地面波形波峰与波谷处过压值变化明显。相比而言，来流单位雷诺数对地面波形过压值的影响显著低于来流马赫数和来流攻角的影响。