空间核电推进系统比质量优化建模及其木星探测应用分析

空间核电推进(Nuclear Electric Propulsion,NEP)系统是一种将核热能转换成电能,并驱动大功率电推力器而产生推力的革命性空间推进技术。和传统推进技术相比,NEP具有高比冲、大功率、长寿命等技术优势,非常适合未来大规模深空探测任务。基于NEP系统组成和小推力轨道理论,建立了以有效载荷为目标的NEP系统比质量优化模型。该模型能够解析NEP航天器的轨道运行时间、比质量、功率与有效载荷比的复杂耦合关系,为任务优化提供了计算依据。最后,利用该模型对NEP系统完成NASA "Juno号"航天任务进行了技术指标评估分析。计算表明,当NEP系统比质量达到4.8 kg/kWe时,其能将"Juno号"航天任务的地木转移时间由2 266 d缩短至665 d,有效载荷由160 kg提高到1 179 kg,极大地提高了航天器的探测能力,为任务方案的可行性论证和后续设计提供参考。     

利于翼型优化设计的超临界翼型参数化方法

为减少超临界翼型优化中的设计变量,消除优化结果的不光顺现象、保证C₂连续,在优化过程中控制翼型几何特性的变化范围,设计出了由4条首尾相接的有理Bézier曲线表示的超临界翼型的翼型参数化方法,该方法对翼型数据的参数化过程中主要运用了Bézier曲线拟合算法与SPSA(Simultaneous Perturbation Stochastic Approximation)优化算法,并在Bézier曲线拟合算法中使用了有别于常用方法的数据点参数选择方法.将这种超临界翼型参数化方法与优化算法结合便可实现翼型优化设计,其中的设计变量为21个,优化结果不仅光顺且满足C₂条件,通过设定设计变量变化范围便可控制相应的翼型前缘半径、上下弦最高最低点的位置与曲率、尾部契角等几何特征.      

Index allocation for a reusable LOX/CH4 rocket engine

Reusable rocket engines are the core components of reusable launch vehicles, and have thus become a major focus of aerospace engineering research in recent years. In practice, subsystem design is based on the overall index allocation of an engine; therefore, a multidisciplinary optimization approach is necessary. In this study, design of a reusable methane/liquid oxygen (LOX/CH4) rocket engine with a gas generator cycle was investigated using multidisciplinary optimization. Two parameters were chosen as design variables: pressure and fuel mix ratio of the main combustion chamber. Optimization objectives were specific impulse, structural mass, and life cycle cost of the reusable rocket engine, and constraints were assigned to each discipline according to rocket design requirements. Then, an optimization model was developed, and optimal design parameters were acquired for the LOX/CH4 rocket engine. The proposed method is effective for designing the index allocation of reusable rocket engines and takes into account the multidisciplinary nature of complex systems.     

Review of hybrid electric powered aircraft,its conceptual design and energy management methodologies

The paper overviews the state-of-art of aircraft powered by hybrid electric propulsion systems. The research status of the design and energy management of hybrid aircraft and hybrid propulsion systems are further reviewed. The first contribution of the review is to demonstrate that, in the context of relatively underdeveloped electrical storage technologies, the study of mid-scale hybrid aircraft can contribute the most to both theoretical and practical knowledge. Meanwhile, the profits and potential drawbacks of applying hybrid propulsion to mid-scale hybrid airplanes have not been thoroughly illustrated. Secondly, as summed in the overview of design methodologies, the multi-objective optimization transcends the single-objective one. The potential of the hybrid propulsion system can be thoroughly evaluated in only one optimization run, if several objectives optimized simultaneously. Yet there are few researches covering the conceptual design of hybrid aircraft using multi-objective optimization. The review of the most popular energy management strategies discloses the third research gap—current methodologies favoured in hybrid ground vehicles do not consider the aircraft safety. Additionally, both non-causal and causal energy management are needed for performing a complicated flight mission with several sub-tasks.     

超临界翼型低雷诺数流动分析及优化设计

以高空长航时无人机(UAV)翼型研究为背景,对超临界RAE2822翼型在高空高亚声速下的低雷诺数气动特性进行了数值模拟及优化设计研究。采用求解雷诺平均N-S方程的有限体积法,对典型低雷诺数下RAE2822翼型绕流进行数值模拟,验证了SST k-ω湍流模型的可靠性和准确性;基于不同高度不同雷诺数下RAE2822翼型的计算气动力对比分析,研究了高度增大所带来的低雷诺数效应;通过对低雷诺数下超临界翼型表面流场结构及流动机理的详细分析,提出了一种弱化激波的翼型设计思想,并通过优化算例验证了该思想的可行性。     

大型壁板自动钻铆定位误差分析与优化

在机翼大型壁板自动钻铆工艺中,由于定位误差较大,壁板实际位姿和理论数模位姿之间难以建立精确的映射关系,而现有补偿工艺流程复杂,导致装配效率较低。着眼于工装设计补偿,针对大型壁板自动钻铆定位误差控制问题展开定位误差溯源分析和定位点布局优化。首先,根据自动钻铆工艺流程进行定位误差溯源,分析其误差的来源及传递机理;其次,将定位误差分为刚性误差和柔性误差两部分,采用Monte-Carlo法模拟刚性定位误差的分布,通过齐次坐标变换分析刚性误差的传递过程,利用有限元虚拟仿真计算关键特征点的柔性变形误差;再次,集成刚性误差与柔性误差,基于统计学思想讨论特定置信度下的定位误差分布规律;然后,基于脚本语言开发Abaqus参数化模型,通过Isight进行后台调用及赋值规划,实现基于带精英策略的非支配解排序遗传算法(NSGA-II)的定位点布局多目标优化;最后,以某型飞机机翼上侧壁板的一号组件为实例,验证了该方法的可行性。     

基于改进多元优化算法的动态路径规划

为满足动态路径规划实时性强和动态跟踪精度高的需求,提出一种基于能够同时发现并追踪多条最优以及次优路径的改进多元优化算法(IMOA)的求解方法。首先,通过利用贝赛尔曲线描述路径的方法把动态路径规划问题转化为动态优化问题;然后,把相似性检测操作引入到多元优化算法(MOA)中,增加算法同时跟踪多个不同最优以及次优解的概率;最后,用IMOA对贝赛尔曲线的控制点进行寻优。实验结果表明:当最优路径由于环境变化而变为非优或者不可行时,利用IMOA对多个最优以及次优解动态跟踪的特点,能够快速调整寻优策略对其他次优路径进行寻优以期望再次找到最优路径;其综合离线性能较其他方法也有一定的提高。因此,IMOA满足动态路径规划的实际需求,适用于解决动态环境中的路径规划问题。     

优化镍基高温合金X-750热处理工艺参数的非线性超声无损评估方法

为了获得更好的材料性能,需要对热处理工艺参数进行精确地优化。非线性超声无损检测技术是一种可以有效表征材料微观结构状态变化的评估方法,可以用来评估、优化热处理工艺参数。利用非线性超声波对热处理后的X-750合金材料进行评估,根据超声传播的非线性响应不同,对材料的性能变化做出判断,并与线性超声检测技术的评估结果进行了对比研究。研究发现经过热处理之后,材料性能显著提高,在其中传播的超声非线性响应则明显下降。材料经过热处理后性能提升越大,其声学非线性响应就会变得越小。根据超声波传播的非线性响应定性评估了3种不同的热处理工艺,明确了最优的镍基高温合金X-750退火工艺参数。研究证实了非线性超声方法的敏感度优于传统的线性超声评估方法,可以对材料的热处理效果进行无损评估,从而对热处理工艺参数进行优化与完善。     

吸附式压气机转子叶片气动优化设计

进行吸附式压气机转子叶片气动设计方法研究.提出通过迭代设计,应用三维流场计算结果提供S₂流面通流计算损失模型,提高了S₂流面流场计算精度;将最优化方法与数值模拟技术相结合,建立吸气与型面耦合的回转面二维叶型优化设计和三维叶片优化设计软件;应用所构建的设计软件,进行吸附式压气机转子设计,数值模拟结果表明:该转子在0.86的叶尖载荷下,设计点总压比为1.631、等熵效率为0.965,实现了高气动性能.      

基于响应面方法的印制电路板模型修正

近年来,基于响应面的优化分析技术被用于有限元模型修正.给出了基于响应面方法的印制电路板(PCB,Printed Circuit Board)模型修正过程.首先利用ANSYS计算PCB的前6阶模态频率并与模态试验结果进行相关性分析;然后分别利用有限元分析和模态试验的前3阶模态频率构造3个目标函数,再利用前6阶共振频率的残差平方和构造第4个目标函数,每个共振频率的权重相同;最后利用多目标函数遗传算法进行优化分析,使得4个目标函数最小化.给出了一个案例对上述的修正过程进行了阐述.分析结果表明,基于响应面的模型修正技术可用于改善PCB的有限元模型,且可利用已有的商业有限元软件直接进行分析,易于工程应用.