Effect of Variable Selection on Multidisciplinary Design Optimization： a Flight Vehicle Example

Different multidisciplinary design optimization (MDO) problems are formulated and compared. Two MDO formulations are applied to a sounding rocket in order to optimize the performance of the rocket. In the MDO of the referred vehicle, three disciplines have been considered,which are trajectory, propulsion and aerodynamics. A special design structure matrix is developed to assist data exchange between disciplines. This design process uses response surface method (RSM) for multidisciplinary optimization of the rocket. The RSM is applied to the design in two categories: the propulsion model and the system level. In the propulsion model, RSM deter-mines an approximate mathematical model of the engine output parameters as a function of design variables. In the system level, RSM fits a surface of objective function versus design variables. In the first MDO problem formulation, two design variables are selected to form propulsion discipline. In the second one, three new design variables from geometry are added and finally, an optimization method is applied to the response surface in the system level in order to find the best result. Application of the first developed multidisciplinary design optimization procedure increased accessible altitude (performance index) of the referred sounding rocket by twenty five percents and the second one twenty nine.     

基于MDO技术的飞机操纵面参数/飞行控制律多目标优化设计

 为克服多学科可行法存在的缺点,采用响应面近似模型进行系统分析从而减少计算量,并将该方法应用于具有多操纵面布局的无尾无人机多目标优化设计中,解决了操纵面几何参数和全包线飞行控制律的一体化设计问题。利用试验设计方法及径向基神经网络技术,建立了飞机操纵面的气动效益近似模型和控制学科的近似模型;应用所提方法及多目标遗传算法进行优化,得到一组Pareto解;采用模糊决策技术从中选取一个解作为数学规划方法进一步优化的初值点,从而得到最终解。仿真结果表明了所提方法的有效性。     

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。     

全局灵敏性分析方法的研究

全局灵敏性分析是解决多学科优化中复杂耦合系统的重要方法,对全局灵敏性分析技术进行了论述,基于一阶模型,建立了二阶以及高阶导数模型,发展了全局敏感性计算方法。编制了基于梯度的优化算法,并与全局灵敏度方程（GSE）求得的导数信息融合,进行了实例应用。与多种优化方法进行了比较,证明了设计方法的可行性、优越性。     

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。     

基于知识的可扩展飞机概念设计环境原型研究(英文)

由于飞机概念设计阶段所涉及任务的高度复杂性和多学科集成性,知识和经验成为设计师开展设计任务的基础。即使针对同一个设计任务,不同的设计师仍需要适合他们自己的设计知识、方法和工具来满足其个体要求。针对以上需求本文提出了一种基于知识的可扩展的构建飞机概念设计系统的方法。基于这种方法建立了具有开放式框架基于知识的飞机概念设计环境KEACDE。设计师应用此环境可以封装集成所需的设计分析组件并构建针对不同需求的飞机概念设计系统。定义了KEACDE的系统框架,知识组件封装方法和可扩展基础数据库建立方法。应用KEACDE实现了一个民用飞机概念设计系统的构建。最后给出了民用飞机设计实例以说明系统的可行性。     

基于名称标识的多学科数据链构成方法

针对几何模型面号随机变动导致多学科优化失败的问题,通过研究现有的几何模型数据交换格式,提出以面名称而不是以面号作为标识,构建多学科优化数据链接的方法.用提出的方法编程实现了几何造型软件SOLIDWORKS和网格生成软件ICEM.CFD的链接,建立了以面名称为数据传递标识的涡轮叶片优化流程.实践表明该方法可以保证在面号变动条件下多学科优化流程的正确性.      

航空发动机初步设计阶段涡轮流道多学科优化设计分析方法

针对航空发动机涡轮初步设计阶段,在完成气动流道初步设计的前提下,综合考虑气动流道与叶片轮盘关键结构特征的制约和平衡关系,建立了关于高压涡轮气动流道和转子强度分析的多学科优化模型,进行了以气动流道效率和转子结构质量为目标函数的涡轮流道多学科多目标优化,优化后涡轮转子最大径向应力和最大周向应力分别下降4.62%和10.63%,同时危险截面处的平均径向应力和周向应力也分别下降了42.99%和3%,使涡轮部件气动和结构强度的多学科综合性能提高3.41%.     

基于响应面的BLISS改进方法

在分析研究BLISS(bi-level integrated system synthesis)方法的基础上,提出了一种BLISS改进方法,该方法在子系统级和系统级均引入基于试验设计的响应面进行近似,并设置了可调移动步长参数,不需再进行复杂的灵敏度分析,消除了BLISS方法对每步迭代优化移动步长的限制,减少了优化迭代次数和陷入局部最优的可能性.最后给出两个具体算例对上述方法进行了验证并与传统BLISS方法进行了对比,结果表明:其优化迭代次数分别减少了57.9%和70.3%,证明了该方法的可行性和有效性.