基于MDO策略的民用航空发动机概念设计研究

以某型民用涡扇航空发动机概念设计为例,集成了总体方案（包括热力循环分析、质量评估、噪声评估、氮氧化物排放评估）、风扇（包括气动设计、强度分析）、低压涡轮（包括气动设计、强度分析）3个子系统,以设计点耗油率、整机质量、飞越状态总声功率级、进近状态总声功率级和燃烧室氮氧化物排放量为优化目标,进行了基于多目标的整机多学科设计优化（MDO）的研究。对比研究了单学科可行(IDF)、协作优化(CO)和不对称子空间优化 (ASO)3种典型的优化策略及其在整机MDO中的应用,探讨了整机 MDO的建模方法、子系统间数据传递及解耦方式。结果表明:3种策略优化效率相当,优化时间最大相差742s;CO策略与ASO策略在整机MDO应用中优化效果较好,综合评价指标分别降低了0.82%和0.86%。      

涡轮叶片的气动-热-结构多学科设计优化研究

涡轮叶片设计是典型的多学科问题,在保证结果精度的同时必须重视计算效率.通过控制样本的数量和质量,近似模型能够在保证一定精度的前提下,简化多学科优化过程中的数据管理,并提高优化效率.通过分析涡轮转子叶片的气动-热-结构三个学科的设计过程和数据传递关系,充分利用各学科现有的分析工具,建立了涡轮叶片的气动-热-结构多学科优化设计框架.对某涡轮转子叶片分别使用Kriging近似模型和精确分析方法进行优化对比,可以看出两者的结果误差约为1.86%,而效率提高了将近46%,表明采用近似方法的优化结果在工程上是可用的,而且在计算效率更占优势.      

基于多层优化策略的涡轮盘叶设计研究

针对涡轮多学科优化设计,将多层优化策略中的重要原则学科自治扩展到组件自治;并结合目前的多学科优化策略BLISS(bi-level integrated system synthesis)2000和CO(collaborative optimization)以及ATC(analytical target cascading),设计出新的多学科优化框架.利用BLISS2000建立了涡轮盘叶的两层双子系统优化框架和两层三子系统的优化框架;结合BLISS2000和CO各自的优点构建了三层三子系统优化框架;从定性的分析角度排除了ATC在涡轮多学科多层优化设计上的应用.通过对比分析,三子系统的多层优化策略的优势主要体现在优化效率方面;层与层之间存在复杂的交互迭代过程导致三层系统往往比双层系统表现出差的精度和效率.      

自由网格变形技术在涡轮叶片多学科设计优化过程中的应用

在涡轮叶片多学科设计优化过程中,结构计算的变形向气动模型传递是解决气固耦合时非常重要的一个环节。本文研究了一种网格变形技术———自由网格变形法(FFD)在涡轮叶片多学科设计优化(MDO)过程中的应用。通过涡轮叶片结构模型至气动模型变形传递的例子,表明应用该技术进行变形传递可以避免结构变形向气动网格传递时的气动网格重生成过程,在保证变形后气动模型网格质量的条件下,实现学科间的变形传递,可直接用于解决涡轮叶片MDO过程中学科间解耦的问题。     

Power plant selection in a carbon constrained world the TERA(technoeconomic environmental risk analysis)

There is an increasing concern that current trends of consumption of natural resources cannot continue.It is imperative that major targeted investments are made into economical and reliable environment friendly propulsion and power solutions.Many novel and promising concepts are being proposed.The selection of the best candidates to pursue for investment becomes a very difficult choice.A detailed TERA(techno-economic environmental risk analysis) framework is described here to quantify risks and to compare and rank competing schemes on a formal and consistent basis.This technique is based on detailed and rigorous thermodynamic representations of power plants.A layer of environment,economic,weather and other models to describe the appropriate local conditions is superimposed to this.The outcome is a techno-economic environmental risk analysis framework with appropriate detail of each power plant as applied to the appropriate conditions.The results for each concept can then be compared and contrasted to make appropriate selections.      

MDO approach for early design of aerobraking orbital transfer vehicles

This paper presents a new multidisciplinary design optimization (MDO) methodology for preliminary design of an aeroassisted orbital transfer vehicle (AOTV) performing a two-way transfer between a low-Earth “parking” orbit and a high-energy orbit. This work has been performed in the frame of Onera's CENTOR [N. Bérend, C. Jolly, F. Jouhaud, D. Lazaro, Y. Mauriot, C. Monjaret, J.M. Moschetta, M. Parlier, J.L. Pastre, Y. Servouze, J.L. Vérant, Project CENTOR: Preparing the design of future orbital transfer vehicles; IAC-07-D.2.3.07, in: 58th International Astronautical Congress, 24–28/09/2007, Hyderabad, India] project whose objective is to prepare tools and methodology for studying and designing future space transportation systems for new kinds of missions such as on-orbit servicing (OOS), payload ferrying, or in-situ observation of space-debris. Using simplified models and an appropriate low-dimension formulation for the optimization problem the method makes possible to obtain rapidly and easily a global view of the trade-off between the payload mass and the total mass. It also makes possible to discuss the feasibility of the vehicle with regard to different multidisciplinary constraints and technology hypotheses for the heat shield. This approach is illustrated by eight different AOTV design studies, considering two different missions (LEO–MEO and LEO–GEO), two different propulsion technologies (LOX-LH2 and LOX-CH4) and two different thermal protection system (TPS) characteristics. In each case, we discuss the feasibility and characteristics of the lightest vehicle carrying a prescribed 100 kg payload, and, conversely, a heavy vehicle with a prescribed 18 ton total mass, carrying the heaviest possible payload.     

飞行器多学科设计优化概述

针对飞行器多学科设计优化进行了概述。提出多学科设计优化的综合性定义，介绍了国内外发展现状。指明多学科设计优化的组成要素和存在学科耦合、计算耗时两个难点，并认为其关键问题是离散设计变量和非数值型综合设计变量处理、工程综合评估、数据流管理等。阐述了可用于多学科设计优化的各种方法及其优缺点。并提出了多学科设计优化的研究重点。     

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。     

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.      

基于改进CO-RS的平流层飞艇总体设计与优化

为改进响应面协同优化(CO-RS,Collaborative Optimization based on Response Surface)方法的工程实用性,提出改进的CO-RS方法.在响应面建立中应用广义乘子法和信赖域法,取消响应面更新对梯度的依赖性.针对平流层飞艇的总体设计与优化问题,基于改进的CO-RS框架,进行了系统任务分析和学科耦合分析.对气动与推进子系统、结构子系统和能源子系统进行了学科分析,以最小化平流层飞艇的质量为目标,建立基于改进CO-RS框架的多学科设计优化(MDO,Multidisciplinary Design Optimization)模型和相应的学科分析模型.利用iSIGHT软件搭建求解平台,采用改进的CO-RS算法进行仿真计算,并得到合理结果,验证了所建立的MDO模型的合理性和改进的CO-RS算法在平流层飞艇总体设计优化中的有效性.