飛行器高擬真度多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)研究.pdf

1、高擬真度模型在現(xiàn)代飛行器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用日益廣泛?；诟邤M真度模型的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）由于能夠更好地改進(jìn)產(chǎn)品性能并減少研發(fā)時(shí)間，在飛行器設(shè)計(jì)中扮演著十分重要的角色。本文以具有結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜、涉及學(xué)科眾多、學(xué)科間高度耦合和整體性能非線性典型特征的高擬真度飛行器設(shè)計(jì)為背景，針對(duì)傳統(tǒng)MDO方法在建模和求解方面的不足，圍繞著MDO模型、近似技術(shù)、MDO架構(gòu)、參數(shù)化建模和

2、學(xué)科接口5個(gè)方面進(jìn)行深入研究。在此基礎(chǔ)上以高超聲速飛行器為研究對(duì)象，探索高擬真度MDO在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用模式，發(fā)展飛行器MDO的一套解決思路與求解方案。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　?。?）提出一種基于學(xué)科關(guān)系矩陣的MDO問題建模方法，在此基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)MDO問題的求解流程并建立了相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。以學(xué)科分析模型的輸入/輸出變量為基本接口，依托學(xué)科關(guān)系矩陣給出了MDO問題的耦合關(guān)系識(shí)別準(zhǔn)則；對(duì)常用MDO策略進(jìn)行重定義和規(guī)范化，建立以學(xué)科分

3、析模型為核心的面向設(shè)計(jì)人員的MDO建模方法和求解流程，實(shí)現(xiàn)了MDO問題求解的規(guī)范化和自動(dòng)化；在學(xué)科關(guān)系矩陣的基礎(chǔ)上，通過定義學(xué)科全局/局部影響度的概念，依此提出學(xué)科及MDO系統(tǒng)的耦合度和復(fù)雜度評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了MDO系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
　?。?）研究了基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則的RBF和Kriging代理模型的各向異性核參數(shù)優(yōu)化方法。將核參數(shù)優(yōu)化思想引入到RBF和Kriging代理模型的核參數(shù)設(shè)計(jì)過程中，以光滑性度量為優(yōu)化指標(biāo)衡量代理模型

4、的推廣能力，實(shí)現(xiàn)了RBF和Kriging的各向異性核參數(shù)優(yōu)化；通過標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試函數(shù)和NACA0012翼型優(yōu)化問題驗(yàn)證了上述方法的有效性，并分別針對(duì)樣本點(diǎn)均勻分布和非均勻分布兩種情況進(jìn)行了對(duì)比分析。
　?。?）提出了一種基于學(xué)科代理模型隨機(jī)漸進(jìn)抽樣修正的MDO架構(gòu)。利用模式跟蹤抽樣算法的隨機(jī)漸進(jìn)抽樣修正原理，實(shí)現(xiàn)了學(xué)科代理模型的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)更新；結(jié)合基于學(xué)科關(guān)系矩陣的MDO模型，將MDO求解過程分解為架構(gòu)層、策略層與學(xué)科層進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)和管

5、理，建立了具有交互式并行計(jì)算特點(diǎn)的DMPS-MDOF方法；從動(dòng)態(tài)加速效果、學(xué)科修正能力、漸進(jìn)收斂特性、并行計(jì)算能力、多策略選擇和交互式求解環(huán)境等方面對(duì)上述方法進(jìn)行深入分析，并針對(duì)原均勻離散設(shè)計(jì)空間在最優(yōu)區(qū)域設(shè)計(jì)點(diǎn)不足的缺陷，提出了基于多元正態(tài)分布抽樣修正的改進(jìn)方法。算例測(cè)試結(jié)果表明，上述新方法具有分布式并行計(jì)算的特點(diǎn)，只需花費(fèi)一半甚至更少的學(xué)科分析模型計(jì)算次數(shù)即可在精度相近的情況下達(dá)到原MDO策略的收斂效果。
　?。?）提出了一種

6、基于解析幾何描述方式的飛行器三維 CST參數(shù)化幾何建模方法。在原二維CST基礎(chǔ)上引入與截面描述類似的軸向和側(cè)向CST解析表達(dá)，推導(dǎo)了完全解析形式的三維 CST參數(shù)化幾何外形描述方程，結(jié)合部件組合設(shè)計(jì)思想，發(fā)展了一套基于三維CST解析表達(dá)的飛行器通用參數(shù)化幾何建模方法；提出基于三維CST參數(shù)化幾何模型的多學(xué)科主模型建模思想，建立了氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)熱學(xué)科分析模型的一體化建模方法和實(shí)現(xiàn)流程。
　　（5）提出了基于特征正交分解（Prope

7、r Orthogonal Decomposition，POD）代理模型學(xué)科接口的場(chǎng)量變量處理方法。針對(duì)MDO問題中場(chǎng)量變量耦合的三種不同情況，建立了基于POD代理模型學(xué)科接口的MDO問題應(yīng)用模式；以耦合CFD/CSD高擬真度學(xué)科分析模型的靜氣動(dòng)彈性優(yōu)化問題為例，實(shí)現(xiàn)了考慮場(chǎng)量耦合的M6機(jī)翼靜氣動(dòng)彈性優(yōu)化。計(jì)算結(jié)果表明，降維后的MDO問題能夠很好地支持并行計(jì)算環(huán)境，相比于傳統(tǒng)串行求解過程能夠大幅度節(jié)省計(jì)算時(shí)間。
　?。?）在飛行器總