靈敏度協(xié)調(diào)優(yōu)化方法及在飛機(jī)族結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用.pdf

1、隨著全球市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，航空領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇。飛機(jī)族不僅能縮短飛機(jī)的研制周期，還能降低生命周期成本，在航空領(lǐng)域逐漸引起廣泛的關(guān)注。目前的飛機(jī)設(shè)計(jì)理論和方法仍主要針對(duì)單一型號(hào)的飛機(jī)設(shè)計(jì)，因此迫切需要發(fā)展飛機(jī)族設(shè)計(jì)的相關(guān)理論和方法。
　　多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化(Multidisciplinary Design Optimization，MDO)方法通過充分探索和利用系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機(jī)制來設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文

2、將借鑒MDO領(lǐng)域中的基本思想和經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，研究與飛機(jī)族結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題相適應(yīng)的方法。圍繞這個(gè)核心，本文主要完成了以下工作：
　　1.介紹了飛機(jī)族的概念，明確了其分類標(biāo)準(zhǔn)，并介紹了不同類型飛機(jī)族的應(yīng)用現(xiàn)狀、意義以及設(shè)計(jì)過程中面臨的問題。
　　2.研究并綜述了產(chǎn)品族的優(yōu)化方法。提煉了產(chǎn)品族優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型，對(duì)文獻(xiàn)中相關(guān)的產(chǎn)品族優(yōu)化方法進(jìn)行了較全面的介紹和分析，詳細(xì)描述了不同優(yōu)化方法的算法結(jié)構(gòu)和發(fā)展過程，為提出新的方法起到指導(dǎo)和鋪墊作

3、用。
　　3.提出了靈敏度協(xié)調(diào)優(yōu)化方法(Sensitivity-based Coordination Method，SCM)，并研究了最優(yōu)靈敏度分析在SCM方法中的應(yīng)用。與典型MDO方法相比，SCM方法的創(chuàng)新之處在于系統(tǒng)級(jí)在利用靈敏度信息的基礎(chǔ)上對(duì)共享變量進(jìn)行協(xié)調(diào)，使性能損失和約束違反最小。子系統(tǒng)級(jí)的優(yōu)化目標(biāo)由全局目標(biāo)和罰函數(shù)組成，罰函數(shù)可采用二次罰函數(shù)或廣義拉格朗日罰函數(shù)。與常規(guī)靈敏度相比，最優(yōu)靈敏度包含更多的信息，可提高系統(tǒng)級(jí)

4、協(xié)調(diào)的效率。研究了如何基于一階和二階信息進(jìn)行最優(yōu)靈敏度分析，并分別應(yīng)用到了SCM方法中。
　　4.采用了兩個(gè)典型數(shù)值算例對(duì)SCM方法進(jìn)行測(cè)試，并與協(xié)同方法(CO)和分級(jí)目標(biāo)傳遞法(ATC)進(jìn)行對(duì)比。ATC和SCM方法中的罰函數(shù)都分別采用了二次罰函數(shù)和廣義拉格朗日罰函數(shù)；SCM方法中的靈敏度分別采用了常規(guī)靈敏度和最優(yōu)靈敏度。結(jié)果表明，與CO和ATC方法相比，SCM方法的計(jì)算效率較高，優(yōu)化的結(jié)果更好，對(duì)初始點(diǎn)也更加穩(wěn)定。對(duì)于罰函數(shù)形式

5、，結(jié)果表明在ATC和SCM方法中采用廣義拉格朗日罰函數(shù)都能提高優(yōu)化效率，改善優(yōu)化結(jié)果。對(duì)于靈敏度形式，結(jié)果表明在SCM方法中采用最優(yōu)靈敏度能在一定程度上提高優(yōu)化效率，改善優(yōu)化結(jié)果和對(duì)初始點(diǎn)的穩(wěn)定性。
　　5.結(jié)合飛機(jī)族結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)際情況下的應(yīng)用場(chǎng)景，提出了兩個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化算例，一是模塊化無人機(jī)族的機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，二是飛機(jī)族的前起落架加強(qiáng)框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用SCM方法完成了這兩個(gè)算例，進(jìn)一步驗(yàn)證了SCM方法的有效性和高效性。
　　本文的