飛行器多學科

設計優化

飛機設計研究所航空科學與工程學院飛機總體設計第十二講

2/5/20231

飛行器多學科設計優化MultidisciplinaryDesignOptimizationofFlightVehicles2/5/20232內容基本概念MDO方法的提出MDO的系統學描述國內外MDO研究進展（美國、俄羅斯、歐洲、其它國家、國內情況）優化方法算例：導彈多學科集成設計優化2/5/202332/5/202342/5/202352/5/202362/5/20237MDO方法的提出飛行器設計過程通常分為概念設計、初步設計和詳細設計三個階段。概念設計的結果是給出初步的總體設計方案。經濟可承受性問題被重視，因而LCC成為衡量設計方案好壞的標準。下圖是波音公司針對彈道導彈系統的LCC一個統計結果。2/5/202382/5/20239MDO方法的提出由圖中看出，概念設計費用只占LCC的1%，做出的決策所決定的費用為70%。人們開始注意提高概念設計的質量，采用的手段就是優化技術。概念設計的目標：最小起飛重量或最大有效載荷，關鍵學科為空氣動力學和推進技術。下圖顯示傳統飛行器設計的途徑，注意設計自由度的變化。2/5/2023102/5/202311MDO方法的提出基本上是一種串行設計模式，不同設計階段，設計者選擇不同的學科重點對飛行器進行設計和優化，沒有考慮不同學科的耦合產生的協同效應，可能得不到系統整體最優的設計方案。存在的問題是，概念設計階段由于已知信息短缺、強調重點學科，不能充分利用該階段的自由度來改善設計質量。2/5/202312MDO方法的提出針對傳統設計方法的不足，MDO就出現了，其主要思想是在飛行器各設計階段力求學科平衡，考慮各學科的相互影響和耦合作用，使用有效的優化策略和分布式計算機網絡系統，利用各學科的系統效應，獲得系統整體最優解。使用MDO方法后的設計過程、和在自由度和知識方面期望達到的目標見下圖。2/5/2023132/5/202314MDO方法的提出使用MDO方法后，為獲得更多信息和使用更大的設計自由度，概念設計階段時間增長了一倍，詳細設計階段的時間縮短了1/3。概念設計階段的學科分配更加合理，在總體設計階段引入更多的知識來提出更加合理的設計方案。設計自由度的實質是允許對設計方案進行修改。2/5/202315MDO的系統學描述先介紹幾個專用術語。學科（Discipline）：系統中本身相對獨立、相互之間又有數據交換的基本模塊，在MDO中學科又叫子系統、子空間，有時翻譯成“領域”或“專業”。設計變量（DesignVariable）：用于描述工程系統的特征、在設計過程中可被設計者控制的一組相互獨立的變量。2/5/2023162/5/202317MDO的系統學描述設計變量可分為：系統（System）設計變量X和局部（Local）設計變量Xi。狀態變量（StateVariable）：用于描述工程系統的性能或特征的一組參數。分系統狀態變量y，學科狀態變量yi

和耦合狀態變量yij。約束條件（Constraints）：系統在設計過程中必須滿足的條件。2/5/202318MDO的系統學描述約束條件有等式和不等式之分，分別用h和g表示，也分系統約束和學科約束。系統參數：用于描述工程系統的特征、在設計過程中保持不變的一組參數p。學科分析（ContributingAnalysisCA）:以該學科設計變量、其它學科對該學科的耦合狀態變量及系統的參數為輸入，根據某一個學科滿足的物理規律確定其物理特性的過程。2/5/202319MDO的系統學描述學科分析也稱子系統分析或子空間分析。設學科i的狀態方程為：

則學科分析就是求解學科狀態方程：2/5/202320MDO的系統學描述系統分析（SystemAnalysis,SA）：對于整個系統，給定一組設計變量，通過求解系統的狀態方程得到系統狀態變量的過程。由于耦合效應，分析過程一般需要多次迭代才能完成。2/5/202321MDO的系統學描述一致性設計（ConsistentDesign）：在系統分析過程中，由設計變量及其相應的滿足系統狀態方程的系統狀態變量組成的一個設計方案?？尚性O計（FeasibleDesign）：滿足所有設計要求或設計約束的一致性設計。最優設計（OptimalDesign）：使目標函數最小或最大的可行設計。2/5/2023222/5/202323國內外MDO研究進展MDO于1980年代發展起來。奠基人是J.Sobieszczanski-Sobieski，其專長是結構優化。1982年他在研究大型結構優化問題求解的一篇論文中，首次提出了MDO的設想，后來提出基于敏度分析的MDO方法，引起了學術界極大關注。由于飛行器系統日益復雜，航空航天領域最先開展MDO研究和應用。2/5/202324國內外MDO研究進展1986年，AIAA/NASA/USAF/OAI等4家機構聯合召開了第一屆“多學科分析與優化”專題研討會，以后每2年一次。1991年，AIAA成立專門的MDO技術委員會，標志著MDO作為一個新的研究領域正式誕生。1994年，NASA在郎利研究中心正式成立了多學科設計優化分部（MDOB）。2/5/202325國內外MDO研究進展1996年，Sobieski和Haftka撰寫了“航空航天領域中的多學科設計優化研究綜述”一文，對MDO的發展現狀進行了回顧，為MDO研究指明了方向。同年，AIAA組織以論文集形式出版了“多學科設計研究最新進展”一書，闡述了MDO的概念、基本方法、學科發展、近似概念和應用環境等內容。2/5/202326國內外MDO研究進展MDO在美國大專院校也受到重視。美國在1990年代初把“在多學科團隊中發揮作用的能力”確定為面向21世紀的工科大學畢業生亟待培養與加強的能力，從1991年起，佐治亞理工學院等大學開始開設這方面的課程。1998年，“工程系統的多學科設計優化”列為美國研究生必修課程，目前，已有50多所院校開設了該課程2/5/202327國內外MDO研究進展MDO在工業界也得到應用，1998年AIAA的MDO技術委員會就MDO在工業中的應用進行了調查，涉及到波音公司的翼身融合飛機、旋翼飛行器的旋翼設計與優化以及F/A-18E/F飛機的設計優化，洛·馬公司的F-22飛機結構/氣動一體化設計和F-16高敏捷“戰隼”的多學科設計與優化，歐洲區域運輸機結構優化以及以A3XXX為研究對象的工作。2/5/202328國內外MDO研究進展目前，MDO在國際上形成了研究熱潮，除美國外，歐洲、俄羅斯、日本等國家都在進行MDO研究，范圍從航空航天領域擴展到汽車、通信、運輸、機械、醫療、建筑等領域。包括北航在內的我國多個學術機構和設計單位在MDO方面的研究也十分積極，并取得了不少進展。2/5/202329美國的MDO研究現狀1991年，美國的MDO白皮書明確提出：MDO應當由政府部門、大學和工業界共同推動。政府部門：NASA的MDOB，1994年NASA認為：航空航天對MDO的研究和應用有廣泛的興趣和支持，新的飛行器設計要在滿足性能要求前提下盡可能滿足可承受性，成本帶入設計過程會改變設計問題的數學本質。2/5/202330美國的MDO研究現狀MDOB已發起了10多項大型項目，如X-33噴管研究（1995~1998），高性能計算與通信計劃（HPCCP,1995~2002），在該計劃下的HSCT系統研究，是飛行器設計的MDO方法研究最深入最持久影響最大的項目。屬于政府機構的另一個部門是AIAA的MDO技術委員會。2/5/202331美國的MDO研究現狀院校研究中心有：佐治亞理工學院航天系統設計實驗室(SSDL)和航空系統設計實驗室(ASDL)，斯坦福大學航空航天計算實驗室(ACL)和飛機氣動與設計小組(ADG)，弗吉尼亞工學院與州立大學先進飛行器多學科分析與設計中心(MAD)，佛羅里達大學結構與學科優化小組等等。2/5/202332美國的MDO研究現狀美國許多大型企業都積極開展MDO運用研究，以提高設計質量、縮短設計周期、節省設計費用。如波音公司、洛克西德·馬丁公司、通用電氣公司等。2/5/202333俄羅斯的MDO研究現狀俄羅斯近年來發表了不少有關MDO的論文，如俄羅斯空間科學研究院研制的IOSO(IndirectOptimizationonthebasisofSelf-Organization)，可用于求解各類MDO問題。該算法將基于梯度的非線性規劃方法與進化式響應面方法巧妙結合，可求解非光滑、隨機、多目標、混合變量等各類優化問題。2/5/2023342/5/202335俄羅斯的MDO研究現狀IOSO最先在俄羅斯航空航天領域得到應用，然后逐步推廣到汽車業、加工業、生物工程等各個領域。進入商業化，向國際推廣。俄羅斯對MDO的理解：MDO就是將多級、多準則與并行優化技術緊密結合進行設計的手段，下圖就是對這種MDO設計方法的理解。2/5/2023362/5/2023372/5/202338歐洲MDO研究進展1996年，歐盟啟動了“MDO工程”，由空客牽頭，共10余個研究單位參加。其主要目標包括：飛行器壽命周期的初步設計階段的集成問題，并行MDO方法，信息技術與設計技術的進一步融合。MOB項目是歐盟正在進行的大型分布式MDO項目，主要內容為翼身融合體布局的多學科設計優化。2/5/202339其它國家MDO研究進展日本大阪大學系統設計工程實驗室(SDEL)，研究方向為利用計算機支持發展產品MDO設計方法。韓國漢陽大學的靈敏度分析與設計革新實驗室(SANDI)，主要進行靈敏度分析方法、全局優化等研究。韓國Konkuk大學氣動設計與多學科設計優化實驗室(ADMOL)。2/5/202340國內MDO研究進展國內跟蹤MDO和研究MDO的應用已經有10多年的時間了，取得了一些進展，但用于工程項目還有一些問題。北航、南航、西工大、國防科技大學、西安電子科技大學、大連鐵道學院、北京工業大學、中科院的多家研究所等單位都在進行MDO的研究。工業部門也在逐步接受MDO。iSight。2/5/202341優化方法經典優化方法（間接法、直接法）全局最優化方法現代優化方法（模擬退火、進化算法、禁忌搜索算法）混合優化策略多方法協作優化方法（基本概念、若干性質、實例、與混合優化策略比較）2/5/2023422/5/2023432/5/202344現代優化算法現代優化算法包括禁忌搜索(TabooSearch,TS)、模擬退火(SimulatedAnnealing,SA)、進化算法(Evolution-aryAlgorithms,EA)、神經網絡(NeuralNet-works,NN)和拉格朗日松弛等算法。這些算法涉及生物進化、人工智能、數學和物理科學、神經系統和統計力學等概念，都是以一定的直觀基礎構造的算法，也叫啟發式算法，有以下特性：2/5/202345現代優化算法與導數無關；直觀的思路；靈活性：對目標函數的要求少；應用廣泛性：對設計空間，變量無苛刻要求，不要求連續；隨機性：確定下一步搜索方向是隨機的。啟發式算法又稱全局優化算法。難以解析：主要基于經驗研究。2/5/202346導彈多學科集成設計優化發動機與導彈的結構、外形對導彈性能有重要影響。導彈總體設計需要考慮總體、控制、動力、結構、載荷、彈道等諸多學科。本例在固體推進劑戰略導彈/發動機一體化設計的基礎上，采用多學科分析方法，在MDO框架下實現導彈的多學科集成、設計與優化。2/5/202347設計優化模型主要包括發動機、質量、氣動和彈道計算等4個模塊。在導彈總體參數和總體方案初步選擇后，可進行發動機設計和性能計算，產生的燃燒室外形尺寸用于導彈外形設計，噴管外形用于級間段設計，質量特性和性能參數用于彈道計算。2/5/202348發動機設計模型發動機模型包括：熱力計算、比沖計算、根據裝藥量和給定的裝填系數確定發動機主要外形尺寸、按照展開質量模型計算發動機結構質量。輸入參數：各級導彈直徑、燃燒室壓強、推力、工作時間、噴管面積比等。輸出參數：各級發動機結構質量、推進劑質量、推力作用點、噴管面積、噴管長度、燃燒室長度等。2/5/202349質量計算模型以發動機設計為基礎，計算導彈質量和質量變化特性。導彈質量包括各級發動機推進劑質量、發動機結構質量、子級結構質量、電子設備質量、有效載荷質量及其它質量。在飛行過程中，導彈質量是隨時間增加而逐漸減小的，因而需要計算飛行過程中的質量及其質量特性參數變化，以便描述導彈的飛行性能。2/5/202350質量計算模型質量模塊還需給出彈體飛行過程中的質心位置參數和轉動慣量參數隨飛行時間和飛行質量的變化規律。主要輸入參數：發動機設計模塊輸出參數中的結構質量和推進劑質量。主要輸出參數：各級發動機起飛質量。2/5/202351氣動計算模型計算內容包括：縱向氣動特性參數、橫側向氣動特性參數、動導數特性，各子級在給定馬赫數下的阻力系數。主要輸入參數：導彈總體參數中的直徑、發動機設計模型輸出參數中的燃燒室長度。主要輸出參數：導彈各級特征面積、特征長度、彈頭