非线性主轴降维映射法在固体火箭发动机设计优化中的应用

为在二维或三维空间中表达固体火箭发动机高维设计空间,引入非线性主轴降维映射法对多维非线性设计优化问题进行降维处理。以某大型固体火箭发动机设计问题为例,将10变量4有效约束优化问题降维映射到二维空间进行研究,拟合的非线性主轴降维映射模型中,目标函数和约束函数的相对误差控制在1.5%以内。研究表明,非线性主轴降维映射法具有发现多变量非线性优化数学模型本征特性的特点,能对设计变量重要性排序;通过降维展示设计空间全景,为优化算法和优化初始点优选提供了直观、有力的工具;优化轨迹实时展示为优化算法性质研究及算法切换提供了依据;根据优化轨迹从优化结果在降维空间中的位置能够判断优化结果是否具有全局最优解特性。     

轴流离心组合压气机性能及流场分析

以某轴流、离心组合式压气机为研究对象,采用数值模拟方法研究了不同转速典型工作状态下该压气机的性能和流场细微结构,为进一步提高压气机的压比、效率,扩大压气机的稳定工作裕度,对压气机进口导流叶片和第一级静子叶片安装角进行优化调节,对改进后压气机的典型工况进行了数值模拟,并进行了相应的试验研究。研究结果表明优化后压气机稳定工作范围增大,在90%设计转速和最大压比不变的情况下,最高效率提升1.05%,典型工况下流场结构也有不同程度的改善。     

一类基于分解协调机制的多学科优化算法

对于复杂系统的设计问题,分解协调是一种比较有效的优化策略.对耦合信息处理方式的不同,产生了不同格式的多学科优化算法.从子系统间信息交换的角度,描述了系统的耦合机制、耦合系统变量的分解和合成.介绍了系统优化中的系统分析,以及分解分析和分解设计的算法构架.归纳总结了一类基于分解协调机制的多学科优化算法,并对分解算法的特点和特殊处理机制进行了探讨.     

高性能螺旋桨优化设计

无人多旋翼飞行器使用的桨叶以固定翼螺旋桨为主,但其气动环境与固定翼不尽相同。使用逆向重构技术对原始桨叶进行参数化建模,并基于CFD数值计算技术对参数化基准模型的扭转角分布规律和叶型积叠方式在垂直飞行状态下进行优化设计。结果表明:在功率允许范围内,桨叶在悬停状态下的效率有了较大提升。     

飞行器体系优化设计问题

针对传统的飞行器设计与体系（SOS）设计相互独立造成的飞行器实际作战效能不足的问题,对同时考虑飞行器与体系耦合设计的飞行器体系优化设计问题展开研究。首先,根据体系工程（SOSE）原理给出了耦合飞行器设计与体系结构设计的飞行器体系优化设计问题的基本概念与通用数学定义;其次,基于多层体系架构,构建了飞行器体系设计优化模型,提出了包含问题定义、体系架构建模、学科建模、优化求解4个步骤的通用建模求解流程;最后,以巡飞/精确打击武器协同作战为例,构建了面向任务成本最低、时间最短的协同作战体系最优化问题并对其进行优化求解。与先设计飞行器后设计体系结构的解耦设计结果对比表明,解耦优化设计忽略了体系结构与飞行器的强耦合特征,无法最优化体系效能;耦合优化设计能够获得体系效能最大化的飞行器设计方案。     

三维叶轮机叶片黏性反问题设计改进方法

提出了一种改进的适用于三维黏性流场的叶轮机叶片反问题设计方法。该方法假设叶片的中弧线具有虚拟移动速度,其位移量由目标载荷与实际载荷的差值计算,并利用黏性底层厚度进行限制。采用三次B样条曲线插值方法对叶片中弧线进行光顺,新叶型通过更新后的中弧线和给定的叶片厚度得到。算例验算结果表明:该方法能够根据设计意图对叶型进行修改,鲁棒性强,收敛速度快,叶片的可变自由度高,不依赖于特定的网格和求解器,具备一定的通用性。      

高超声速飞行器宽速域翼型/机翼设计与分析

对于现代高超声速飞行器的设计而言,除了需要保证高超声速的性能外,还必须兼顾满足工程需求的亚跨超声速特性。首先,采用雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程流动求解器,结合基于Kriging模型的代理优化算法,开展了高超声速飞行器宽速域翼型的优化设计研究,设计出了一种下表面具有双"S"形特征的新翼型。综合性能评估结果表明,该翼型相比于常规的高超声速翼型,在跨声速和高超声速下具有更加优良的气动特性;其跨声速状态下的升阻比达到78.9,高超声速状态下的升阻比达到5.94,能够实现宽速域内良好的综合气动性能。其次,开展了仿德国"桑格尔号"（SANGER）空天飞机运载机机翼的气动特性研究,对配置宽速域翼型与常规高超声速翼型的机翼进行了气动力特性综合对比分析。结果表明,配置新翼型的机翼在宽速域范围内整体气动性能更优,说明所设计的宽速域翼型在三维机翼上也具有一定的实用价值。     

基于重要性测度降维的液压管路稳健优化设计

提出一种基于重要性测度的降维预处理优化方法,对不确定环境下飞机局部液压管路系统的稳健性优化问题展开研究。引入区间模型描述随机变量分布参数（即设计变量）的不确定性,引入基于方差的重要性测度衡量设计变量对优化目标的贡献程度,从而筛选出对优化目标影响较大的设计变量,简化优化模型。该方法可以有效降低优化问题的维数,进而减少优化的计算成本。通过数值算例验证了所提方法的合理性和可行性,并采用该方法对飞机局部液压管路系统进行了稳健性优化设计。     

民用飞机复合材料舱门优化设计

复合材料因其具有比刚度大、比强度高、可设计性强等特点而被广泛应用到民用飞机结构上。针对宽体复合材料舱门设计方案,建立有限元模型进行初步分析,然后以刚度设计要求和强度设计要求为约束条件,对复合材料舱门结构的铺层比例进行了优化,达到了复合材料舱门的减重目的。优化后复合材料舱门的重量降低了10%以上,并且满足所有刚度和强度设计要求。本文所做研究为复合材料气密舱门减重提供了一种有效的方法,并且为类似结构的设计提出了参考建议,在工程上具有一定的指导意义。     

基于代理模型的大型民机机翼气动优化设计

先进的气动优化设计思想与方法,对于提升大型民机气动与综合性能具有至关重要的意义。探讨了大型民机超临界机翼气动优化设计的基本准则和要点,并结合代理优化算法,提出了一种面向工程应用的多轮次高效全局气动优化设计方法。首先,通过一系列解析函数/翼型/机翼优化测试算例进行了验证。其次,将所提出的方法与人工修型相结合,开展了针对宽体客机超临界机翼的两轮气动优化设计,使其气动性能得到显著改善。最后,采用不同的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程求解器对安装优化机翼的全机巡航构型进行了典型状态的气动性能综合评估。研究结果表明,所提出的代理优化算法具有很高的优化效率、较强的约束处理和全局优化能力;将所发展的基于代理模型的多轮次气动优化设计方法与人工修型相结合,能够获得满足设计要求的气动外形,验证了该方法在大型民机超临界机翼气动设计中的有效性和工程实用性。