飛行器多學科設(shè)計優(yōu)化.

1、 飛機設(shè)計研究所飛機設(shè)計研究所航空科學與工程學院航空科學與工程學院飛機總體設(shè)計飛機總體設(shè)計第十二講第十二講 2021年11月13日星期六2 飛行器多學科設(shè)計優(yōu)化飛行器多學科設(shè)計優(yōu)化multidisciplinary design optimization of flight vehicles2021年11月13日星期六3內(nèi)容v基本概念vmdo方法的提出vmdo的系統(tǒng)學描述v國內(nèi)外mdo研究進展（美國、俄羅斯、歐洲、其它國家、國內(nèi)情況）v優(yōu)化方法v算例：導彈多學科集成設(shè)計優(yōu)化2021年11月13日星期六42021年11月13日星期六52021年11月13日星期六62021年11月13日星期六72

2、021年11月13日星期六8mdo方法的提出v飛行器設(shè)計過程通常分為概念設(shè)計、初步設(shè)計和詳細設(shè)計三個階段。v概念設(shè)計的結(jié)果是給出初步的總體設(shè)計方案。v經(jīng)濟可承受性問題被重視，因而lcc成為衡量設(shè)計方案好壞的標準。v下圖是波音公司針對彈道導彈系統(tǒng)的lcc一個統(tǒng)計結(jié)果。2021年11月13日星期六92021年11月13日星期六10mdo方法的提出v由圖中看出，概念設(shè)計費用只占lcc的1%，做出的決策所決定的費用為70%。v人們開始注意提高概念設(shè)計的質(zhì)量，采用的手段就是優(yōu)化技術(shù)。v概念設(shè)計的目標：最小起飛重量或最大有效載荷，關(guān)鍵學科為空氣動力學和推進技術(shù)。下圖顯示傳統(tǒng)飛行器設(shè)計的途徑，注意設(shè)計自由度

3、的變化。2021年11月13日星期六112021年11月13日星期六12mdo方法的提出v基本上是一種串行設(shè)計模式，不同設(shè)計階段，設(shè)計者選擇不同的學科重點對飛行器進行設(shè)計和優(yōu)化，沒有考慮不同學科的耦合產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，可能得不到系統(tǒng)整體最優(yōu)的設(shè)計方案。v存在的問題是，概念設(shè)計階段由于已知信息短缺、強調(diào)重點學科，不能充分利用該階段的自由度來改善設(shè)計質(zhì)量。2021年11月13日星期六13mdo方法的提出v針對傳統(tǒng)設(shè)計方法的不足，mdo就出現(xiàn)了，其主要思想是在飛行器各設(shè)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(yōu)化策略和分布式計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用各學科的系統(tǒng)效應(yīng)，獲得系統(tǒng)整體最優(yōu)解

4、。v使用mdo方法后的設(shè)計過程、和在自由度和知識方面期望達到的目標見下圖。2021年11月13日星期六142021年11月13日星期六15mdo方法的提出v使用mdo方法后，為獲得更多信息和使用更大的設(shè)計自由度，概念設(shè)計階段時間增長了一倍，詳細設(shè)計階段的時間縮短了1/3。v概念設(shè)計階段的學科分配更加合理，在總體設(shè)計階段引入更多的知識來提出更加合理的設(shè)計方案。設(shè)計自由度的實質(zhì)是允許對設(shè)計方案進行修改。2021年11月13日星期六16mdo的系統(tǒng)學描述v先介紹幾個專用術(shù)語。v學科（discipline）：系統(tǒng)中本身相對獨立、相互之間又有數(shù)據(jù)交換的基本模塊，在mdo中學科又叫子系統(tǒng)、子空間，有時翻譯

5、成“領(lǐng)域”或“專業(yè)”。v設(shè)計變量（design variable）：用于描述工程系統(tǒng)的特征、在設(shè)計過程中可被設(shè)計者控制的一組相互獨立的變量。2021年11月13日星期六172021年11月13日星期六18mdo的系統(tǒng)學描述v設(shè)計變量可分為：系統(tǒng)（system）設(shè)計變量x和局部（ local ）設(shè)計變量xi。v狀態(tài)變量（state variable）：用于描述工程系統(tǒng)的性能或特征的一組參數(shù)。分系統(tǒng)狀態(tài)變量y，學科狀態(tài)變量yi 和耦合狀態(tài)變量yij。v約束條件（constraints）：系統(tǒng)在設(shè)計過程中必須滿足的條件。2021年11月13日星期六19mdo的系統(tǒng)學描述v約束條件有等式和不等式之分，

6、分別用h和g表示，也分系統(tǒng)約束和學科約束。v系統(tǒng)參數(shù)：用于描述工程系統(tǒng)的特征、在設(shè)計過程中保持不變的一組參數(shù)p。v學科分析（contributing analysis ca）:以該學科設(shè)計變量、其它學科對該學科的耦合狀態(tài)變量及系統(tǒng)的參數(shù)為輸入，根據(jù)某一個學科滿足的物理規(guī)律確定其物理特性的過程。2021年11月13日星期六20mdo的系統(tǒng)學描述v學科分析也稱子系統(tǒng)分析或子空間分析。設(shè)學科i的狀態(tài)方程為： 則學科分析就是求解學科狀態(tài)方程：(;,)0iiiijsx xyy1( ,)(0;,)iiiijiiijca x x ysx x yy2021年11月13日星期六21mdo的系統(tǒng)學描述v系統(tǒng)分析（

7、system analysis, sa）：對于整個系統(tǒng)，給定一組設(shè)計變量，通過求解系統(tǒng)的狀態(tài)方程得到系統(tǒng)狀態(tài)變量的過程。由于耦合效應(yīng)，分析過程一般需要多次迭代才能完成。12ny = sa(x,x ,x ,x )2021年11月13日星期六22mdo的系統(tǒng)學描述v一致性設(shè)計（consistent design）：在系統(tǒng)分析過程中，由設(shè)計變量及其相應(yīng)的滿足系統(tǒng)狀態(tài)方程的系統(tǒng)狀態(tài)變量組成的一個設(shè)計方案。v可行設(shè)計（feasible design）：滿足所有設(shè)計要求或設(shè)計約束的一致性設(shè)計。v最優(yōu)設(shè)計（optimal design）：使目標函數(shù)最小或最大的可行設(shè)計。2021年11月13日星期六23202

8、1年11月13日星期六24國內(nèi)外mdo研究進展vmdo于1980年代發(fā)展起來。奠基人是j. sobieszczanski-sobieski，其專長是結(jié)構(gòu)優(yōu)化。1982年他在研究大型結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題求解的一篇論文中，首次提出了mdo的設(shè)想，后來提出基于敏度分析的mdo方法，引起了學術(shù)界極大關(guān)注。v由于飛行器系統(tǒng)日益復雜，航空航天領(lǐng)域最先開展mdo研究和應(yīng)用。2021年11月13日星期六25國內(nèi)外mdo研究進展v1986年，aiaa/nasa/usaf/oai等4家機構(gòu)聯(lián)合召開了第一屆“多學科分析與優(yōu)化”專題研討會，以后每2年一次。v1991年，aiaa成立專門的mdo技術(shù)委員會，標志著mdo作為一個

9、新的研究領(lǐng)域正式誕生。v1994年，nasa在郎利研究中心正式成立了多學科設(shè)計優(yōu)化分部（ mdob）。2021年11月13日星期六26國內(nèi)外mdo研究進展v1996年，sobieski和haftka撰寫了“航空航天領(lǐng)域中的多學科設(shè)計優(yōu)化研究綜述”一文，對mdo的發(fā)展現(xiàn)狀進行了回顧，為mdo研究指明了方向。v同年，aiaa組織以論文集形式出版了“多學科設(shè)計研究最新進展”一書，闡述了mdo的概念、基本方法、學科發(fā)展、近似概念和應(yīng)用環(huán)境等內(nèi)容。2021年11月13日星期六27國內(nèi)外mdo研究進展vmdo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(fā)揮作用的能力”確定為面向21世紀

10、的工科大學畢業(yè)生亟待培養(yǎng)與加強的能力，從1991年起，佐治亞理工學院等大學開始開設(shè)這方面的課程。v1998年，“工程系統(tǒng)的多學科設(shè)計優(yōu)化”列為美國研究生必修課程，目前，已有50多所院校開設(shè)了該課程2021年11月13日星期六28國內(nèi)外mdo研究進展vmdo在工業(yè)界也得到應(yīng)用，1998年aiaa的mdo技術(shù)委員會就mdo在工業(yè)中的應(yīng)用進行了調(diào)查，涉及到波音公司的翼身融合飛機、旋翼飛行器的旋翼設(shè)計與優(yōu)化以及f/a-18e/f飛機的設(shè)計優(yōu)化，洛馬公司的f-22飛機結(jié)構(gòu)/氣動一體化設(shè)計和f-16高敏捷“戰(zhàn)隼”的多學科設(shè)計與優(yōu)化，歐洲區(qū)域運輸機結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及以a3xxx為研究對象的工作。2021年11月1

11、3日星期六29國內(nèi)外mdo研究進展v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(lǐng)域擴展到汽車、通信、運輸、機械、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域。v包括北航在內(nèi)的我國多個學術(shù)機構(gòu)和設(shè)計單位在mdo方面的研究也十分積極，并取得了不少進展。2021年11月13日星期六30美國的mdo研究現(xiàn)狀v1991年，美國的mdo白皮書明確提出：mdo應(yīng)當由政府部門、大學和工業(yè)界共同推動。v政府部門：nasa的mdob，1994年nasa認為：航空航天對mdo的研究和應(yīng)用有廣泛的興趣和支持，新的飛行器設(shè)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(shè)計過程會改

12、變設(shè)計問題的數(shù)學本質(zhì)。2021年11月13日星期六31美國的mdo研究現(xiàn)狀vmdob已發(fā)起了10多項大型項目，如x-33噴管研究（19951998），高性能計算與通信計劃（hpccp,19952002），在該計劃下的hsct系統(tǒng)研究，是飛行器設(shè)計的mdo方法研究最深入最持久影響最大的項目。v屬于政府機構(gòu)的另一個部門是aiaa的mdo技術(shù)委員會。2021年11月13日星期六32美國的mdo研究現(xiàn)狀v院校研究中心有：佐治亞理工學院航天系統(tǒng)設(shè)計實驗室(ssdl)和航空系統(tǒng)設(shè)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(shè)計小組(adg)，弗吉尼亞工學院與州立大學先進飛行器多

13、學科分析與設(shè)計中心(mad) ，佛羅里達大學結(jié)構(gòu)與學科優(yōu)化小組等等。2021年11月13日星期六33美國的mdo研究現(xiàn)狀v美國許多大型企業(yè)都積極開展mdo運用研究，以提高設(shè)計質(zhì)量、縮短設(shè)計周期、節(jié)省設(shè)計費用。v如波音公司、洛克西德馬丁公司、通用電氣公司等。2021年11月13日星期六34俄羅斯的mdo研究現(xiàn)狀v俄羅斯近年來發(fā)表了不少有關(guān)mdo的論文，如俄羅斯空間科學研究院研制的ioso(indirect optimization on the basis of self-organization)，可用于求解各類mdo問題。v該算法將基于梯度的非線性規(guī)劃方法與進化式響應(yīng)面方法巧妙結(jié)合，可求解非

14、光滑、隨機、多目標、混合變量等各類優(yōu)化問題。2021年11月13日星期六352021年11月13日星期六36俄羅斯的mdo研究現(xiàn)狀vioso最先在俄羅斯航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用，然后逐步推廣到汽車業(yè)、加工業(yè)、生物工程等各個領(lǐng)域。進入商業(yè)化，向國際推廣。v俄羅斯對mdo的理解： mdo就是將多級、多準則與并行優(yōu)化技術(shù)緊密結(jié)合進行設(shè)計的手段，下圖就是對這種mdo設(shè)計方法的理解 。2021年11月13日星期六372021年11月13日星期六382021年11月13日星期六39歐洲mdo研究進展v1996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

15、設(shè)計階段的集成問題，并行mdo方法，信息技術(shù)與設(shè)計技術(shù)的進一步融合。vmob項目是歐盟正在進行的大型分布式mdo項目，主要內(nèi)容為翼身融合體布局的多學科設(shè)計優(yōu)化 。2021年11月13日星期六40其它國家mdo研究進展v日本大阪大學系統(tǒng)設(shè)計工程實驗室(sdel)，研究方向為利用計算機支持發(fā)展產(chǎn)品mdo設(shè)計方法。v韓國漢陽大學的靈敏度分析與設(shè)計革新實驗室(sandi)，主要進行靈敏度分析方法、全局優(yōu)化等研究。v韓國konkuk大學氣動設(shè)計與多學科設(shè)計優(yōu)化實驗室(admol)。2021年11月13日星期六41國內(nèi)mdo研究進展v國內(nèi)跟蹤mdo和研究mdo的應(yīng)用已經(jīng)有10多年的時間了，取得了一些進展，

16、但用于工程項目還有一些問題。v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(yè)大學、中科院的多家研究所等單位都在進行mdo的研究。v工業(yè)部門也在逐步接受mdo。isight。2021年11月13日星期六42優(yōu)化方法v經(jīng)典優(yōu)化方法（間接法、直接法）v全局最優(yōu)化方法v現(xiàn)代優(yōu)化方法（模擬退火、進化算法、禁忌搜索算法）v混合優(yōu)化策略v多方法協(xié)作優(yōu)化方法（基本概念、若干性質(zhì)、實例、與混合優(yōu)化策略比較） 2021年11月13日星期六432021年11月13日星期六442021年11月13日星期六45現(xiàn)代優(yōu)化算法v現(xiàn)代優(yōu)化算法包括禁忌搜索(taboo search,ts)、模擬退火

17、(simulated annealing, sa)、進化算法(evolution-ary algorithms, ea)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neural net-works,nn)和拉格朗日松弛等算法。v這些算法涉及生物進化、人工智能、數(shù)學和物理科學、神經(jīng)系統(tǒng)和統(tǒng)計力學等概念，都是以一定的直觀基礎(chǔ)構(gòu)造的算法，也叫啟發(fā)式算法，有以下特性：2021年11月13日星期六46現(xiàn)代優(yōu)化算法v與導數(shù)無關(guān)；v直觀的思路；v靈活性：對目標函數(shù)的要求少；v應(yīng)用廣泛性：對設(shè)計空間，變量無苛刻要求，不要求連續(xù)；v隨機性：確定下一步搜索方向是隨機的。啟發(fā)式算法又稱全局優(yōu)化算法。v難以解析：主要基于經(jīng)驗研究。2021年11月1

18、3日星期六47導彈多學科集成設(shè)計優(yōu)化v發(fā)動機與導彈的結(jié)構(gòu)、外形對導彈性能有重要影響。v導彈總體設(shè)計需要考慮總體、控制、動力、結(jié)構(gòu)、載荷、彈道等諸多學科。v本例在固體推進劑戰(zhàn)略導彈/發(fā)動機一體化設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用多學科分析方法，在mdo框架下實現(xiàn)導彈的多學科集成、設(shè)計與優(yōu)化。2021年11月13日星期六48設(shè)計優(yōu)化模型v主要包括發(fā)動機、質(zhì)量、氣動和彈道計算等4個模塊。v在導彈總體參數(shù)和總體方案初步選擇后，可進行發(fā)動機設(shè)計和性能計算，產(chǎn)生的燃燒室外形尺寸用于導彈外形設(shè)計，噴管外形用于級間段設(shè)計，質(zhì)量特性和性能參數(shù)用于彈道計算。2021年11月13日星期六49發(fā)動機設(shè)計模型v發(fā)動機模型包括：熱力計算

19、、比沖計算、根據(jù)裝藥量和給定的裝填系數(shù)確定發(fā)動機主要外形尺寸、按照展開質(zhì)量模型計算發(fā)動機結(jié)構(gòu)質(zhì)量。v輸入?yún)?shù)：各級導彈直徑、燃燒室壓強、推力、工作時間、噴管面積比等。v輸出參數(shù)：各級發(fā)動機結(jié)構(gòu)質(zhì)量、推進劑質(zhì)量、推力作用點、噴管面積、噴管長度、燃燒室長度等。2021年11月13日星期六50質(zhì)量計算模型v以發(fā)動機設(shè)計為基礎(chǔ)，計算導彈質(zhì)量和質(zhì)量變化特性。v導彈質(zhì)量包括各級發(fā)動機推進劑質(zhì)量、發(fā)動機結(jié)構(gòu)質(zhì)量、子級結(jié)構(gòu)質(zhì)量、電子設(shè)備質(zhì)量、有效載荷質(zhì)量及其它質(zhì)量。v在飛行過程中，導彈質(zhì)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(zhì)量及其質(zhì)量特性參數(shù)變化，以便描述導彈的飛行性能。2021年11月13日星期六51質(zhì)量計算模型v質(zhì)量模塊還需給出彈體飛行過程中的質(zhì)心位置參數(shù)和轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)隨飛行時間和飛行質(zhì)量的變化規(guī)律。v主要輸入?yún)?shù)：發(fā)動機設(shè)計模塊輸出參數(shù)中的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和推進劑質(zhì)量。v主要輸出參數(shù)：各級發(fā)動機起飛質(zhì)量。2021年11月13日星期六52氣動計算模型v計算內(nèi)容包括：縱向氣動特性參數(shù)、橫側(cè)向氣動特性參數(shù)、動導數(shù)特性，各子級在給定馬赫數(shù)下的阻力系數(shù)。v主要輸入?yún)?shù)：導彈總體參數(shù)中的直徑、發(fā)動機設(shè)計模型輸出參數(shù)中的燃燒室長度。v主要輸出參數(shù)：導彈各級特征面積、特征長度、彈頭長度、彈頭直徑、長細比。2021年11月13日星期六53