基于近似技术的高亚声速运输机机翼气动/结构优化设计

探索基于近似技术的高亚声速运输机机翼气动/结构多学科设计优化方法,建立了基于近似技术的多学科设计优化框架。气动学科采用全速势方程加黏性修正进行翼身组合体跨声速流动的气动计算,结构学科采用有限元分析方法进行应力与变形计算。采用均匀设计法给出若干样本点,分别采用二次响应面、Kriging模型和径向基神经网络等多种近似技术,构造气动学科和结构学科的近似分析模型,并对几种近似模型精度进行了分析和比较。研究发现,Kriging模型和二次响应面具有几乎等同的较高的近似精度,神经网络的近似精度则较差,由于二次响应面计算量更小,故最终选定为机翼设计优化的近似方法。以升阻比和结构重量为目标,考虑升力、机翼面积以及应力和应变约束条件,对运输机机翼4个外形参数和4个结构参数进行多目标、多约束优化设计。优化后的机翼具有较好的气动/结构综合性能,表明本文方法是可行的。

一种考虑气动弹性的运输机机翼多学科优化方法

探索了在运输机初步设计阶段的一种计及气动弹性的机翼气动/结构综合优化设计方法。该方法将试验设计方法与二次响应面、Kringing模型和神经网络等工程近似技术相结合,建立考虑气动弹性后的气动性能和结构性能的近似分析模型,在这些近似模型的基础上进行最优化设计。应用该方法进行了高亚声速运输机计及气动弹性的机翼气动/结构综合优化设计,设计结果表明:(1)近似模型精度满足工程设计要求,所设计的高亚声速运输机机翼具有较好的气动/结构综合性能,表明本文方法是可行的;(2)计及气动弹性的优化设计结果比不考虑气动弹性的优化设计结果性能有很大提高,说明对高亚声速运输机机翼设计来说,在初步设计阶段考虑气动弹性是很有必要的。

飞机概念设计的多学科综合优化技术

将均匀设计与二次响应面相结合 ,发展了一种高效实用的飞机多学科设计的并行子空间优化算法。采用均匀设计给出初始样本点 ,为近似模型提供有效的精确模型信息 ,简单实用的二次响应面作为一种在计算量和精确度上达到合理折衷的近似方法为系统级和学科级的优化模型提供状态变量的近似信息。将该方法用于某通用航空飞机的概念设计 ,考虑气动、重量和性能 3个学科 ,很好地解决了各学科间复杂耦合带来的计算困难 ,证实了该算法的有效性。

基于遗传模拟退火算法的空战编队优化研究

发展了一种用遗传算法优化大规模空战编队战术的方法 ,并用模拟退火算法对其进行了改进 ,使得收敛性能大大提高。该方法是借鉴层级编队思想 ,对多机编队实行层级编码 ,在一定的空战模型的基础上 ,用遗传算法优化大规模空战编队战术 ,最终得到一个对给定编队作战的最优编队 ,并用两个 1

设计指标最优分配的协同方法

设计指标最优分配是飞机顶层设计中的一个关键问题。本文借鉴协同优化思想,发展了一种新的设计指标最优分配方法———协同分配法(collaborative allocation),用于处理飞机顶层设计中的大规模设计指标最优分配问题。给出了协同分配法的分配思想并建立了该方法的数学模型。用一个可靠度指标最优分配算例说明了协同分配法的数学模型建立及求解过程,初步验证了该方法对设计指标最优分配的有效性。

利用并行子空间优化方法实现复杂工程系统并行设计优化

介绍了应用于航空航天领域内复杂系统设计的一种基于全局敏度方程的并行子空间优化算法,分析了算法的计算结构和参数设置,根据其收敛过程振荡和收敛早熟问题,发展了折衷系数的优化规律替代法和自适应累积约束参数法,提高了算法的收敛性能.算例表明改进后算法收敛性能有很大提高.将该算法用于某通用航空飞机的概念设计,考虑气动、重量和性能等3个学科,很好地解决了各学科间复杂耦合带来的计算困难,证实了本文算法的有效性.

改进的并行子空间优化算法及其在飞机概念设计中的应用

分析了基于全局敏度方程的并行子空间优化算法容易发生收敛过程振荡和优化早熟的原因,在保持原算法减少约束个数和降低设计变量维度优点的条件下,进行了以下方面的改进:①去除了可能导致收敛过程振荡的折衷系数;②将可能导致优化早熟的固定累积约束参数设置为自适应可变参数。算例表明改进后算法收敛性能有很大提高。将该算法用于某通用航空飞机的概念设计,考虑气动、重量和性能3个学科,很好地解决了各学科间复杂耦合带来的计算困难,证实了该算法的有效性。

跨声速运输机机翼气动/结构优化平台AeroStruct的发展及应用

跨声速运输类飞机由于机翼展弦比大,使得气动加载下机翼变形量大,气动/结构耦合效应明显,因而开展耦合优化设计对提升飞机综合性能具有重要意义。本文研发了一种对该类机翼进行变可信度气动/结构耦合优化设计的自主软件平台(AeroStruct),气动数值模拟可选用N-S/Euler/全速势方程,结构数值模拟集成了结构有限元分析平台,气动/结构耦合分析采用径向基函数插值方法进行数据传递,在自主开发的SurroOpt代理优化软件基础上集成分析模块,实现了考虑静气动弹性效应的机翼气动/结构耦合优化设计。对uCRM-9标模机翼进行了包含76个设计变量的减重优化设计,最优方案比基准机翼结构质量减小约13%,优化效果显著。

面向高超声速飞行器的宽速域翼型优化设计

宽速域气动设计是水平起降高超声速飞行器研制的瓶颈问题之一。水平起降高超声速飞行器在飞行过程中需要经历亚、跨、超和高超声速多个速域,而适应不同速域的最佳气动外形相互矛盾,使得实现良好的宽速域气动设计面临极大挑战。首先,针对高超声速飞行器宽速域翼型气动设计问题,发展了基于代理模型的高效全局气动优化设计方法,并设计出一种相对厚度为4%、有一定弯度、下表面具有双“S”形特征的宽速域翼型。将新翼型与常规四边形和双弧形翼型进行了气动特性对比,并进行了流动机理分析,结果表明新翼型的宽速域综合气动特性显著优于常规翼型,从而证明发展兼顾亚、跨、超和高超声速气动性能的宽速域翼型是可行的。其次,开展了宽速域翼型的多目标优化设计,通过分析Pareto解集中翼型的宽速域气动性能随几何外形变化的演化规律,进一步解释了有一定弯度、下表面呈双“S”形的薄翼型能够协调亚、跨、超声速与高超声速气动性能的原理。最后,采用平面外形为梯形的机翼,进行了三维机翼构型下的宽速域翼型多目标优化设计。三维优化设计结果与二维结果具有相似的几何特征和压力分布,说明这种通过下表面双“S”形小弯度薄翼型来兼顾亚、跨、超和高超声速气动性能的宽速域流动机理同样适用于三维情况,也证实了翼型设计对于宽速域高超声速飞行器仍然具有重要意义。

工程系统设计指标的最优分配方法

概述了工程系统设计指标最优分配的三类方法,直接法,分解协调法和协同分配法。其中,协同分配法已经初步证明是一种有效的新方法。并简要的分析了它们的优缺点及适用范围。

高超声速飞行器宽速域翼型高效多目标优化设计方法研究

高超声速宽速域飞行器需要从地面零速滑跑起飞,经历亚声速起飞、跨声速/超声速爬升,直至高超声速巡航等多个飞行阶段,因此,除了需要保证高超声速性能以外,还必须兼顾满足工程需求的亚、跨和超声速气动特性。首先,本文提出了一种基于代理模型的高效多目标优化新算法,结合新算法和RANS方程求解器、几何参数化、网格自动生成等技术发展了一套宽速域翼型多目标优化设计方法。然后,进行了兼顾跨声速与高超声速气动性能的翼型多目标气动优化设计,优化获得了包含58个翼型的Pareto最优化解集。本文分析了Pareto前沿上的优化翼型,对宽速域翼型协调跨声速与高超声速气动性能的机理进行了总结。

飞行器多学科优化设计研究现状与展望

多学科优化设计(MDO)是一种通过充分探索和利用工程系统(如飞行器)中相互作用的协同机制来开展复杂工程系统及其子系统设计的方法论。首先,在MDO基本概念与应用背景基础上,简要回顾了自20世纪80年代以来第一代和第二代MDO技术的发展及其在飞行器设计中的应用。其次,针对正在发展的第三代MDO技术,重点综述了多学科耦合数值模拟、MDO求解策略、多保真度方法、高效全局多目标优化算法、拓扑优化方法、稳健优化方法、抗噪优化算法和多学科集成框架等飞行器MDO关键技术的研究现状,分析了面临的挑战。最后,总结提炼了未来需要解决的关键科学与技术问题,设定了到2035年左右飞行器MDO技术研究预计达到的目标,并给出了相应的研究建议。

一种飞机顶层设计指标最优分配的新方法(英文)

探讨了一种新的设计指标最优分配方法——协同分配法,用于处理飞机顶层设计中的大规模设计指标最优分配问题。分析了飞机顶层设计中的设计指标最优分配特征,据此给出了协同法的原理并建立了数学模型。协同法按设计指标分配关系将最优分配问题分解为主系统优化和子系统优化,主优化对子系统设计指标进行最优分配,子优化以最小化分配设计指标值与期望设计指标值之间的差异为目标,进行子系统最优设计,或对底层元件(如飞机翼梁、翼肋和翼盒等)进行设计指标最优分配,并把最优解信息反馈给主优化。主优化通过子优化最优解信息构成的一致性约束协调分配量,提高系统整体性能,并重新给出分配方案。主系统与子系统反复协调,直到得到设计指标最优分配方案。两层可靠度指标分配算例初步验证了本文方法的正确性与可行性,三层可靠度指标分配算例证明了本文方法的有效性。最后,以重量指标分配为例,简要叙述了针对飞机顶层设计中设计指标协同分配的数学模型和求解思路。

基于代理模型的高效全局气动优化设计方法研究进展

基于高可信度计算流体力学的数值优化设计方法,在提高飞行器气动与综合性能方面正发挥着越来越重要的作用。基于代理模型的优化算法(SBO),由于能够实现高效全局优化,逐渐成为了气动优化设计领域的研究热点之一。近20年来,代理优化算法研究已取得了长足进步,多种先进的新型代理模型被提出,优化理论和算法也不断完善和发展。以飞行器精细化气动优化设计为背景,综述了基于代理模型的高效全局气动优化设计方法研究进展。首先,介绍了基于变可信度代理模型的气动优化设计方法、结合代理模型和伴随方法的气动优化设计方法以及基于非生物进化的并行气动优化设计方法的研究现状和最新进展。然后,针对飞行器气动优化设计学科领域的前沿问题,介绍了基于代理模型的多目标气动优化设计方法、混合反设计/优化设计方法、稳健气动优化设计方法的研究进展,以及基于代理模型的多学科优化设计方法的研究进展。文献综述表明,代理优化算法在设计效率、全局性以及鲁棒性等方面性能优良,已经发展到可以解决100维(100个设计变量)以内的气动优化设计问题,具有良好的工程应用前景。最后,探讨了基于代理模型的高效全局气动优化设计在理论、方法及飞行器设计应用方面所面临的问题和挑战,给出了未来研究方向的建议。

大载重升浮一体飞艇在应急预案中的性能分析

在设计一种抗震救灾和抗洪抢险虚拟场景的基础上,进行了大载重升浮一体飞艇在这两种虚拟场景中运输性能和完成任务能力分析。通过分析,得出了大载重飞艇在未来国家应急预案的作用和地位,它将和直升机等垂直起降的飞行器一同建立通往灾区第一线的快速运输通道,在完善国家应急预案上将起到关键作用。同时,论证了我国未来发展这种飞行器的性能指标需求,并按此指标需求提出了一种可行的大载重飞艇方案构型,初步分析了该型飞艇在灾难救援工作中最为关心的巡航性能。