飛機總體設(shè)計-12第十二講-飛行器多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化

1、Multidisciplinary Design Optimization of Flight Vehicles飛機設(shè)計研究所飛機設(shè)計研究所航空科學(xué)與工程學(xué)院航空科學(xué)與工程學(xué)院飛機總體設(shè)計飛機總體設(shè)計第十二講第十二講 1內(nèi)內(nèi) 容容v基本概念（優(yōu)化實例）基本概念（優(yōu)化實例）vMDO方法的提出方法的提出vMDO的系統(tǒng)學(xué)描述的系統(tǒng)學(xué)描述v國內(nèi)外國內(nèi)外MDO研究進展（美國、俄羅斯、研究進展（美國、俄羅斯、歐洲、其它國家、國內(nèi)情況）歐洲、其它國家、國內(nèi)情況）v優(yōu)化方法及約束條件處理優(yōu)化方法及約束條件處理v算例：飛機總體多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化算例：飛機總體多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化2優(yōu)化實例優(yōu)化實例v混料系統(tǒng)設(shè)計定的最優(yōu)化問

2、題混料系統(tǒng)設(shè)計定的最優(yōu)化問題原 料成分成本(元/公斤)N1N2N310.060.020.091520.030.040.051230.040.010.0383優(yōu)化實例優(yōu)化實例v由表中所列三種原料混合，混合后的成由表中所列三種原料混合，混合后的成分應(yīng)滿足下列要求：分應(yīng)滿足下列要求：N10.04，N20.02，N30.07v問上述三種原料各應(yīng)占多少，使之既滿問上述三種原料各應(yīng)占多少，使之既滿足成分要求又使成本最低？足成分要求又使成本最低？v原料原料1 1應(yīng)占應(yīng)占x1份，原料份，原料2 2應(yīng)占應(yīng)占x2份，原料份，原料3 3應(yīng)占應(yīng)占x3份，則：份，則：x1+x2+x3=14優(yōu)化實例優(yōu)化實例v其約束條件為

3、：其約束條件為：N1=0.06x1+0.03x2+0.04(1-x1-x2)0.04N2=0.02x1+0.04x2+0.01(1-x1-x2)0.02N3=0.09x1+0.05x2+0.03(1-x1-x2)0.07x10，x20，1-x1-x20v簡化上述各式得：簡化上述各式得：2x1-x20 x1+3x215優(yōu)化實例優(yōu)化實例3x1+x22x10，x20，1-x1-x20v而最低成本為其目標(biāo)函數(shù)，即：而最低成本為其目標(biāo)函數(shù)，即：f(x) = 15x1+12x2+8(1-x1-x2)= 7x1+4x2+8Min6優(yōu)化實例優(yōu)化實例v利用圖解法求解，如圖所示。利用圖解法求解，如圖所示。v根據(jù)約

4、束條件可找到其可行域為凸集根據(jù)約束條件可找到其可行域為凸集R，它具有三個頂點，即為，它具有三個頂點，即為A,B,C。v然后畫出目標(biāo)函數(shù)的等高線，例如然后畫出目標(biāo)函數(shù)的等高線，例如f(x)=10那條等高線。當(dāng)目標(biāo)函數(shù)值增加時，這條那條等高線。當(dāng)目標(biāo)函數(shù)值增加時，這條平行向右移動。我們要求的是滿足約束條平行向右移動。我們要求的是滿足約束條件的目標(biāo)函數(shù)的最小值。件的目標(biāo)函數(shù)的最小值。78優(yōu)化實例優(yōu)化實例v直線平行移動，首先與凸集直線平行移動，首先與凸集R的的B點相點相切，切，B點（凸集的頂點之一）即為我們點（凸集的頂點之一）即為我們所要確定的最優(yōu)點。所要確定的最優(yōu)點。v從圖中可以看出，最優(yōu)點從圖中可

5、以看出，最優(yōu)點B點為點為x1+3x2=1及及3x1+x2=2這兩條直線的交點，這兩條直線的交點，所以解下列聯(lián)立方程：所以解下列聯(lián)立方程：9優(yōu)化實例優(yōu)化實例x1+3x2=13x1+x2=2v求得最優(yōu)點為：求得最優(yōu)點為：x1=5/8x2=1/8v于是于是 x3=1-x1-x2=2/8v目標(biāo)函數(shù)最小值為：目標(biāo)函數(shù)最小值為：vf(x)=7x1+4x2+8=12.88 Min10優(yōu)化實例優(yōu)化實例v即即1、2、3三種原料應(yīng)按三種原料應(yīng)按5/8、1/8、2/8的的比例混合，混合后既能滿足成分要求，比例混合，混合后既能滿足成分要求，又使成本最低，即又使成本最低，即12.88元元/公斤。公斤。v從上述例子中可以

6、看到，目標(biāo)函數(shù)和約從上述例子中可以看到，目標(biāo)函數(shù)和約束條件均為線性函數(shù)，稱為線性規(guī)劃束條件均為線性函數(shù)，稱為線性規(guī)劃。11MDO方法的提出方法的提出v飛行器設(shè)計過程通常分為概念設(shè)計、初飛行器設(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。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)計概念設(shè)計的結(jié)果是給出初步的總體設(shè)計方案。方案。v經(jīng)濟可承受性問題被重視，因而經(jīng)濟可承受性問題被重視，因而LCC成成為衡量設(shè)計方案好壞的標(biāo)準(zhǔn)。為衡量設(shè)計方案好壞的標(biāo)準(zhǔn)。v下圖是波音公司針對彈道導(dǎo)彈系統(tǒng)的下圖是波音公司針對彈道導(dǎo)彈系統(tǒng)的LCC一個統(tǒng)計結(jié)果。一個統(tǒng)計結(jié)果。1213MDO方法的提出方法

7、的提出v由圖中看出，概念設(shè)計費用只占由圖中看出，概念設(shè)計費用只占LCC的的1%，做出的決策所決定的費用為，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)。用的手段就是優(yōu)化技術(shù)。v概念設(shè)計的目標(biāo)：最小起飛重量或最大概念設(shè)計的目標(biāo)：最小起飛重量或最大有效載荷，關(guān)鍵學(xué)科為空氣動力學(xué)和推有效載荷，關(guān)鍵學(xué)科為空氣動力學(xué)和推進技術(shù)。下圖顯示傳統(tǒng)飛行器設(shè)計的途進技術(shù)。下圖顯示傳統(tǒng)飛行器設(shè)計的途徑，注意設(shè)計自由度的變化。徑，注意設(shè)計自由度的變化。1415MDO方法的提出方法的提出v基本上是一種串行設(shè)計模式，不同設(shè)計基本上是一種串行設(shè)計

8、模式，不同設(shè)計階段，設(shè)計者選擇不同的學(xué)科重點對飛階段，設(shè)計者選擇不同的學(xué)科重點對飛行器進行設(shè)計和優(yōu)化，沒有考慮不同學(xué)行器進行設(shè)計和優(yōu)化，沒有考慮不同學(xué)科的耦合產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，可能得不到科的耦合產(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。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(xué)科，不能充分利信息短缺、強調(diào)重點學(xué)科，不能充分利用該階段的自由度來改善設(shè)計質(zhì)量用該階段的自由度來改善設(shè)計質(zhì)量。16MDO方法的提出方法的提出v針對傳統(tǒng)設(shè)計方法的不足，針對傳統(tǒng)設(shè)計方法的不足，MDO就出現(xiàn)就出現(xiàn)了，其主要思想是在飛行器各設(shè)計階段了

9、，其主要思想是在飛行器各設(shè)計階段力求學(xué)科平衡，考慮各學(xué)科的相互影響力求學(xué)科平衡，考慮各學(xué)科的相互影響和耦合作用，使用有效的優(yōu)化策略和分和耦合作用，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(xué)科的系布式計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用各學(xué)科的系統(tǒng)效應(yīng)，獲得系統(tǒng)整體最優(yōu)解。統(tǒng)效應(yīng)，獲得系統(tǒng)整體最優(yōu)解。v使用使用MDO方法后的設(shè)計過程、和在自由方法后的設(shè)計過程、和在自由度和知識方面期望達到的目標(biāo)見下圖。度和知識方面期望達到的目標(biāo)見下圖。1718MDO方法的提出方法的提出v使用使用MDO方法后，為獲得更多信息和使方法后，為獲得更多信息和使用更大的設(shè)計自由度，概念設(shè)計階段時用更大的設(shè)計自由度，概念設(shè)計階段時間

10、增長了一倍，詳細設(shè)計階段的時間縮間增長了一倍，詳細設(shè)計階段的時間縮短了短了1/3。v概念設(shè)計階段的學(xué)科分配更加合理，在概念設(shè)計階段的學(xué)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)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。是允許對設(shè)計方案進行修改。19MDO的系統(tǒng)學(xué)描述的系統(tǒng)學(xué)描述v先介紹幾個專用術(shù)語。先介紹幾個專用術(shù)語。v學(xué)科（學(xué)科（Discipline）：系統(tǒng)中本身相對獨）：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，立、相互之間又有數(shù)據(jù)交換的基本模塊，在在MDO中學(xué)科又叫子系統(tǒng)、子空間，有

11、中學(xué)科又叫子系統(tǒng)、子空間，有時翻譯成時翻譯成“領(lǐng)域領(lǐng)域”或或“專業(yè)專業(yè)”。v設(shè)計變量（設(shè)計變量（Design Variable）：用于描）：用于描述工程系統(tǒng)的特征、在設(shè)計過程中可被述工程系統(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。設(shè)計者控制的一組相互獨立的變量。2021MDO的系統(tǒng)學(xué)描述的系統(tǒng)學(xué)描述v設(shè)計變量可分為：系統(tǒng)（設(shè)計變量可分為：系統(tǒng)（System）設(shè)計）設(shè)計變量變量X和局部（和局部（ Local ）設(shè)計變量）設(shè)計變量Xi。v狀態(tài)變量（狀態(tài)變量（State Variable）：用于描述）：用于描述工程系統(tǒng)的性能或特征的一組參數(shù)。分工程系統(tǒng)的性能或特征的一組參數(shù)。分系統(tǒng)狀

12、態(tài)變量系統(tǒng)狀態(tài)變量y，學(xué)科狀態(tài)變量，學(xué)科狀態(tài)變量yi 和耦合和耦合狀態(tài)變量狀態(tài)變量yij。v約束條件（約束條件（Constraints）：系統(tǒng)在設(shè)計）：系統(tǒng)在設(shè)計過程中必須滿足的條件過程中必須滿足的條件。22MDO的系統(tǒng)學(xué)描述的系統(tǒng)學(xué)描述v約束條件有等式和不等式之分，分別用約束條件有等式和不等式之分，分別用h和和g表示，也分系統(tǒng)約束和學(xué)科約束。表示，也分系統(tǒng)約束和學(xué)科約束。v系統(tǒng)參數(shù)：用于描述工程系統(tǒng)的特征、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)在設(shè)計過程中保持不變的一組參數(shù)p。v學(xué)科分析（學(xué)科分析（Contributing Analysis CA）:以該學(xué)科設(shè)計變量

13、、其它學(xué)科對該學(xué)科以該學(xué)科設(shè)計變量、其它學(xué)科對該學(xué)科的耦合狀態(tài)變量及系統(tǒng)的參數(shù)為輸入，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(xué)科滿足的物理規(guī)律確定其根據(jù)某一個學(xué)科滿足的物理規(guī)律確定其物理特性的過程。物理特性的過程。23MDO的系統(tǒng)學(xué)描述的系統(tǒng)學(xué)描述v學(xué)科分析也稱子系統(tǒng)分析或子空間分析。學(xué)科分析也稱子系統(tǒng)分析或子空間分析。設(shè)學(xué)科設(shè)學(xué)科i的狀態(tài)方程為：的狀態(tài)方程為： 則學(xué)科分析就是求解學(xué)科狀態(tài)方程：則學(xué)科分析就是求解學(xué)科狀態(tài)方程：(;,)0iiiijSX Xyy1( ,)(0;,)iiiijiiijCA X X ySX X yy24MDO的系統(tǒng)學(xué)描述的系統(tǒng)學(xué)描述v系統(tǒng)分析（系統(tǒng)分析（Syst

14、em Analysis, SA）：對）：對于整個系統(tǒng)，給定一組設(shè)計變量，通過于整個系統(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。需要多次迭代才能完成。12ny =SA(X,X ,X ,X )25MDO的系統(tǒng)學(xué)描述的系統(tǒng)學(xué)描述v一致性設(shè)計（一致性設(shè)計（Consistent Design）：在）：在系統(tǒng)分析過程中，由設(shè)計變量及其相應(yīng)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。成的一個設(shè)

15、計方案。v可行設(shè)計（可行設(shè)計（Feasible Design）：滿足所）：滿足所有設(shè)計要求或設(shè)計約束的一致性設(shè)計。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（最優(yōu)設(shè)計（Optimal Design）：使目標(biāo)）：使目標(biāo)函數(shù)最小或最大的可行設(shè)計。函數(shù)最小或最大的可行設(shè)計。26MDO的系統(tǒng)學(xué)描述的系統(tǒng)學(xué)描述v根據(jù)以上定義，可將根據(jù)以上定義，可將MDO問題用數(shù)學(xué)形問題用數(shù)學(xué)形式表示如下：式表示如下：12111222,(,),(,),(,)minnnnnX XXXff f X XyfX XyfX Xy(,)0iiih X Xy(,)0iiig X Xy111(,(,),(,),(,)0iiiijijj

16、ninnE X Xy yX XyyX XyyX Xys.t.( ,1,2, ;)i jn ij27國內(nèi)外國內(nèi)外MDO研究進展研究進展vMDO于于1980年代發(fā)展起來。奠基人是年代發(fā)展起來。奠基人是J. Sobieszczanski-Sobieski，其專長是結(jié)構(gòu)，其專長是結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化。1982年他在研究大型結(jié)構(gòu)優(yōu)化問年他在研究大型結(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的設(shè)想，后來提出基于敏度分析的MDO方法，引起了學(xué)術(shù)界極大關(guān)注。方法，引起了學(xué)術(shù)界極大關(guān)注。v由于飛行器系統(tǒng)日益復(fù)雜，航空航天領(lǐng)由于飛行器系統(tǒng)日益復(fù)雜，航空航天

17、領(lǐng)域最先開展域最先開展MDO研究和應(yīng)用。研究和應(yīng)用。28國內(nèi)外國內(nèi)外MDO研究進展研究進展v1986年，年，AIAA/NASA/USAF/OAI等等4家家機構(gòu)聯(lián)合召開了第一屆機構(gòu)聯(lián)合召開了第一屆“多學(xué)科分析與多學(xué)科分析與優(yōu)化優(yōu)化”專題研討會，以后每專題研討會，以后每2年一次。年一次。v1991年，年，AIAA成立專門的成立專門的MDO技術(shù)委技術(shù)委員會，標(biāo)志著員會，標(biāo)志著MDO作為一個新的研究領(lǐng)作為一個新的研究領(lǐng)域正式誕生。域正式誕生。v1994年，年，NASA在郎利研究中心正式成在郎利研究中心正式成立了多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化分部（立了多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化分部（ MDOB）。）。29國內(nèi)外國內(nèi)外MDO研究進展

18、研究進展v1996年，年，Sobieski和和Haftka撰寫了撰寫了“航空航空航天領(lǐng)域中的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化研究綜述航天領(lǐng)域中的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化研究綜述”一文，對一文，對MDO的發(fā)展現(xiàn)狀進行了回顧，的發(fā)展現(xiàn)狀進行了回顧，為為MDO研究指明了方向。研究指明了方向。v同年，同年，AIAA組織以論文集形式出版了組織以論文集形式出版了“多學(xué)科設(shè)計研究最新進展多學(xué)科設(shè)計研究最新進展”一書，闡一書，闡述了述了MDO的概念、基本方法、學(xué)科發(fā)展、的概念、基本方法、學(xué)科發(fā)展、近似概念和應(yīng)用環(huán)境等內(nèi)容。近似概念和應(yīng)用環(huán)境等內(nèi)容。30國內(nèi)外國內(nèi)外MDO研究進展研究進展vMDO在美國大專院校也受到重視。美國在美國大專院校

19、也受到重視。美國在在1990年代初把年代初把“在多學(xué)科團隊中發(fā)揮在多學(xué)科團隊中發(fā)揮作用的能力作用的能力”確定為面向確定為面向21世紀(jì)的工科世紀(jì)的工科大學(xué)畢業(yè)生亟待培養(yǎng)與加強的能力，從大學(xué)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(xué)院等大學(xué)開始年起，佐治亞理工學(xué)院等大學(xué)開始開設(shè)這方面的課程。開設(shè)這方面的課程。v1998年，年，“工程系統(tǒng)的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化工程系統(tǒng)的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化”列為美國研究生必修課程，目前，已有列為美國研究生必修課程，目前，已有50多所院校開設(shè)了該課程多所院校開設(shè)了該課程31國內(nèi)外國內(nèi)外MDO研究進展研究進展vMDO在工業(yè)界也得到應(yīng)用，在工業(yè)界也得到應(yīng)用，1998年年

20、AIAA的的MDO技術(shù)委員會就技術(shù)委員會就MDO在工業(yè)在工業(yè)中的應(yīng)用進行了調(diào)查，涉及到波音公司中的應(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)的翼身融合飛機、旋翼飛行器的旋翼設(shè)計與優(yōu)化以及計與優(yōu)化以及F/A-18E/F飛機的設(shè)計優(yōu)化，飛機的設(shè)計優(yōu)化，洛洛馬公司的馬公司的F-22飛機結(jié)構(gòu)飛機結(jié)構(gòu)/氣動一體化設(shè)氣動一體化設(shè)計和計和F-16高敏捷高敏捷“戰(zhàn)隼戰(zhàn)隼”的多學(xué)科設(shè)計的多學(xué)科設(shè)計與優(yōu)化，歐洲區(qū)域運輸機結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及與優(yōu)化，歐洲區(qū)域運輸機結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及以以A3XXX為研究對象的工作。為研究對象的工作。32國內(nèi)外國內(nèi)外MDO研究進展研究進展v目前，目前，MDO在國際上形成了研究熱

21、潮，在國際上形成了研究熱潮，除美國外，歐洲、俄羅斯、日本等國家除美國外，歐洲、俄羅斯、日本等國家都在進行都在進行MDO研究，范圍從航空航天領(lǐng)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)域擴展到汽車、通信、運輸、機械、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域。療、建筑等領(lǐng)域。v包括北航在內(nèi)的我國多個學(xué)術(shù)機構(gòu)和設(shè)包括北航在內(nèi)的我國多個學(xué)術(shù)機構(gòu)和設(shè)計單位在計單位在MDO方面的研究也十分積極，方面的研究也十分積極，并取得了不少進展。并取得了不少進展。33美國的美國的MDO研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀v1991年，美國的年，美國的MDO白皮書明確提出：白皮書明確提出：MDO應(yīng)當(dāng)由政府部門、大學(xué)和工業(yè)界共應(yīng)當(dāng)由政府部門、大學(xué)和工

22、業(yè)界共同推動。同推動。v政府部門：政府部門：NASA的的MDOB，1994年年NASA認(rèn)為：航空航天對認(rèn)為：航空航天對MDO的研究和的研究和應(yīng)用有廣泛的興趣和支持，新的飛行器應(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)計過程會改變足可承受性，成本帶入設(shè)計過程會改變設(shè)計問題的數(shù)學(xué)本質(zhì)。設(shè)計問題的數(shù)學(xué)本質(zhì)。34美國的美國的MDO研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀vMDOB已發(fā)起了已發(fā)起了10多項大型項目，如多項大型項目，如X-33噴管研究（噴管研究（19951998），高性能計算），高性能計算與通信計劃（與通信計劃（HPCCP,1995

23、2002），在），在該計劃下的該計劃下的HSCT系統(tǒng)研究，是飛行器系統(tǒng)研究，是飛行器設(shè)計的設(shè)計的MDO方法研究最深入最持久影響方法研究最深入最持久影響最大的項目。最大的項目。v屬于政府機構(gòu)的另一個部門是屬于政府機構(gòu)的另一個部門是AIAA的的MDO技術(shù)委員會。技術(shù)委員會。35美國的美國的MDO研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀v院校研究中心有：佐治亞理工學(xué)院航天院校研究中心有：佐治亞理工學(xué)院航天系統(tǒng)設(shè)計實驗室系統(tǒng)設(shè)計實驗室(SSDL)和航空系統(tǒng)設(shè)計和航空系統(tǒng)設(shè)計實驗室實驗室(ASDL)，斯坦福大學(xué)航空航天計，斯坦福大學(xué)航空航天計算實驗室算實驗室(ACL)和飛機氣動與設(shè)計小組和飛機氣動與設(shè)計小組(ADG)，弗吉尼亞

24、工學(xué)院與州立大學(xué)先，弗吉尼亞工學(xué)院與州立大學(xué)先進飛行器多學(xué)科分析與設(shè)計中心進飛行器多學(xué)科分析與設(shè)計中心(MAD) ，佛羅里達大學(xué)結(jié)構(gòu)與學(xué)科優(yōu)化小組等等。佛羅里達大學(xué)結(jié)構(gòu)與學(xué)科優(yōu)化小組等等。36美國的美國的MDO研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀v美國許多大型企業(yè)都積極開展美國許多大型企業(yè)都積極開展MDO運用運用研究，以提高設(shè)計質(zhì)量、縮短設(shè)計周期、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。節(jié)省設(shè)計費用。v如波音公司、洛克西德如波音公司、洛克西德馬丁公司、通用馬丁公司、通用電氣公司等。電氣公司等。37俄羅斯的俄羅斯的MDO研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀v俄羅斯近年來發(fā)表了不少有關(guān)俄羅斯近年來發(fā)表了不少有關(guān)MDO的論的論文

25、，如俄羅斯空間科學(xué)研究院研制的文，如俄羅斯空間科學(xué)研究院研制的IOSO(Indirect Optimization on the basis of Self-Organization)，可用于求解各類，可用于求解各類MDO問題問題。v該算法將基于梯度的非線性規(guī)劃方法與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，可求解非進化式響應(yīng)面方法巧妙結(jié)合，可求解非光滑、隨機、多目標(biāo)、混合變量等各類光滑、隨機、多目標(biāo)、混合變量等各類優(yōu)化問題。優(yōu)化問題。3839俄羅斯的俄羅斯的MDO研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀vIOSO最先在俄羅斯航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)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)、

26、加工業(yè)、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，向生物工程等各個領(lǐng)域。進入商業(yè)化，向國際推廣。國際推廣。v俄羅斯對俄羅斯對MDO的理解：的理解： MDO就是將多就是將多級、多準(zhǔn)則與并行優(yōu)化技術(shù)緊密結(jié)合進級、多準(zhǔn)則與并行優(yōu)化技術(shù)緊密結(jié)合進行設(shè)計的手段，下圖就是對這種行設(shè)計的手段，下圖就是對這種MDO設(shè)設(shè)計方法的理解計方法的理解 。404142歐洲歐洲MDO研究進展研究進展v1996年，歐盟啟動了年，歐盟啟動了“MDO工程工程”，由，由空客牽頭，共空客牽頭，共10余個研究單位參加。其余個研究單位參加。其主要目標(biāo)包括：飛行器壽命周期的初步主要目標(biāo)包括：飛行器壽命周期的初步設(shè)

27、計階段的集成問題，并行設(shè)計階段的集成問題，并行MDO方法，方法，信息技術(shù)與設(shè)計技術(shù)的進一步融合。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項目，主要內(nèi)容為翼身融合體布局的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化 。43其它國家其它國家MDO研究進展研究進展v日本大阪大學(xué)系統(tǒng)設(shè)計工程實驗室日本大阪大學(xué)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)，研究方向為利用計算機支持發(fā)展產(chǎn)品展產(chǎn)品MDO設(shè)計方法。設(shè)計方法。v韓國漢陽大學(xué)的靈敏度分析與設(shè)計革新韓國漢陽大學(xué)的靈敏度分析與設(shè)計革新實驗室實驗室(SAND

28、I)，主要進行靈敏度分析，主要進行靈敏度分析方法、全局優(yōu)化等研究。方法、全局優(yōu)化等研究。v韓國韓國Konkuk大學(xué)氣動設(shè)計與多學(xué)科設(shè)計大學(xué)氣動設(shè)計與多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化實驗室優(yōu)化實驗室(ADMOL)。44國內(nèi)國內(nèi)MDO研究進展研究進展v國內(nèi)跟蹤國內(nèi)跟蹤MDO和研究和研究MDO的應(yīng)用已經(jīng)的應(yīng)用已經(jīng)有有10多年的時間了，取得了一些進展，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。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(xué)、北航、南航、西工大、國防科技大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、大連鐵道學(xué)院、北西安電子科技大學(xué)、大連鐵道學(xué)院、北京工業(yè)大學(xué)、中科院的多家研究所等單京工業(yè)大學(xué)、中

29、科院的多家研究所等單位都在進行位都在進行MDO的研究。的研究。v工業(yè)部門也在逐步接受工業(yè)部門也在逐步接受MDO。iSight。45優(yōu)化方法優(yōu)化方法v經(jīng)典優(yōu)化方法（間接法、直接法）經(jīng)典優(yōu)化方法（間接法、直接法）v全局最優(yōu)化方法全局最優(yōu)化方法v現(xiàn)代優(yōu)化方法現(xiàn)代優(yōu)化方法（模擬退火、進化算法、禁忌搜索算法）（模擬退火、進化算法、禁忌搜索算法）v混合優(yōu)化策略混合優(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）性質(zhì)、實例、與混合優(yōu)化策略比較） 464748現(xiàn)代優(yōu)化算法現(xiàn)代優(yōu)化算法v現(xiàn)代優(yōu)化算法包括禁忌搜索現(xiàn)代優(yōu)化算法包括禁忌搜索(Taboo S

30、earch,TS)、模擬退火、模擬退火(Simulated Annealing, SA)、進化算法、進化算法(Evolution-ary Algorithms, EA)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Neural Net-works,NN)和拉格朗日松弛等算法。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)這些算法涉及生物進化、人工智能、數(shù)學(xué)和物理科學(xué)、神經(jīng)系統(tǒng)和統(tǒng)計力學(xué)等學(xué)和物理科學(xué)、神經(jīng)系統(tǒng)和統(tǒng)計力學(xué)等概念，都是以一定的直觀基礎(chǔ)構(gòu)造的算概念，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：法，也叫啟發(fā)式算法，有以下特性：49現(xiàn)代優(yōu)化算法現(xiàn)代優(yōu)化算法v與導(dǎo)數(shù)無關(guān)；與導(dǎo)數(shù)無關(guān)；v

31、直觀的思路；直觀的思路；v靈活性：對目標(biāo)函數(shù)的要求少；靈活性：對目標(biāo)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)；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。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。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。難以解析：主要基于經(jīng)驗研究。505152535455565758飛機總體設(shè)計多學(xué)科優(yōu)化飛機總體設(shè)計多學(xué)科優(yōu)化v飛機總體設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，飛機總體設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涵蓋多個學(xué)科的內(nèi)容，如氣動、結(jié)構(gòu)、涵蓋多個學(xué)科的內(nèi)容，如氣動、結(jié)構(gòu)、推進、

32、控制等。推進、控制等。v對于其中任意一個學(xué)科，可以進行計算對于其中任意一個學(xué)科，可以進行計算分析和優(yōu)化設(shè)計，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型分析和優(yōu)化設(shè)計，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和計算軟件。和計算軟件。v對飛機總體來說，很難建立統(tǒng)一的分析對飛機總體來說，很難建立統(tǒng)一的分析和優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，只是學(xué)科簡單組合。和優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，只是學(xué)科簡單組合。59飛機總體設(shè)計多學(xué)科優(yōu)化飛機總體設(shè)計多學(xué)科優(yōu)化v飛機總體設(shè)計包含大量設(shè)計變量、性能飛機總體設(shè)計包含大量設(shè)計變量、性能狀態(tài)變量和約束方程，不同子系統(tǒng)模型狀態(tài)變量和約束方程，不同子系統(tǒng)模型之間相互交叉影響，其設(shè)計目標(biāo)對設(shè)計之間相互交叉影響，其設(shè)計目標(biāo)對設(shè)計變量的要求相互可能存在矛

33、盾。變量的要求相互可能存在矛盾。v借助借助MDO，設(shè)計人員能夠跨越需求分，設(shè)計人員能夠跨越需求分析、方案設(shè)計、參數(shù)設(shè)計、仿真分析之析、方案設(shè)計、參數(shù)設(shè)計、仿真分析之間的鴻溝，在概念設(shè)計階段完成飛機性間的鴻溝，在概念設(shè)計階段完成飛機性能優(yōu)化和效能評估，縮短設(shè)計周期。能優(yōu)化和效能評估，縮短設(shè)計周期。60飛機總體設(shè)計多學(xué)科優(yōu)化飛機總體設(shè)計多學(xué)科優(yōu)化v我國飛機設(shè)計人員也嘗試?yán)脙?yōu)化技術(shù)來改我國飛機設(shè)計人員也嘗試?yán)脙?yōu)化技術(shù)來改善設(shè)計，但實踐中效果并不理想，主要有三善設(shè)計，但實踐中效果并不理想，主要有三方面原因：方面原因：v缺乏有效進行飛機總體優(yōu)化的建模理論與優(yōu)缺乏有效進行飛機總體優(yōu)化的建模理論與優(yōu)化策

34、略；化策略；v傳統(tǒng)的串行設(shè)計造成各學(xué)科的人為分割；傳統(tǒng)的串行設(shè)計造成各學(xué)科的人為分割；v各學(xué)科不斷細化的模型和成果并未在總體設(shè)各學(xué)科不斷細化的模型和成果并未在總體設(shè)計過程中得到充分利用。計過程中得到充分利用。61飛機總體設(shè)計多學(xué)科優(yōu)化飛機總體設(shè)計多學(xué)科優(yōu)化v進行飛機總體的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化，有利進行飛機總體的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化，有利于沖破傳統(tǒng)設(shè)計框架與設(shè)計思想的束縛，于沖破傳統(tǒng)設(shè)計框架與設(shè)計思想的束縛，基于現(xiàn)代信息技術(shù)和設(shè)計技術(shù)，引入數(shù)基于現(xiàn)代信息技術(shù)和設(shè)計技術(shù)，引入數(shù)字化設(shè)計流程，革新傳統(tǒng)設(shè)計模式與設(shè)字化設(shè)計流程，革新傳統(tǒng)設(shè)計模式與設(shè)計理念。計理念。v形成集設(shè)計、仿真、效能評估一體化的形成集設(shè)計、仿

35、真、效能評估一體化的設(shè)計體系，從而加快研發(fā)速度、提高設(shè)設(shè)計體系，從而加快研發(fā)速度、提高設(shè)計質(zhì)量和節(jié)省壽命周期費用。計質(zhì)量和節(jié)省壽命周期費用。62飛機總體設(shè)計模型飛機總體設(shè)計模型v飛機總體設(shè)計工作包括方案設(shè)計、總體飛機總體設(shè)計工作包括方案設(shè)計、總體參數(shù)設(shè)計、決策和優(yōu)化。參數(shù)設(shè)計、決策和優(yōu)化。v一般首先確定三個飛機主要設(shè)計參數(shù)：一般首先確定三個飛機主要設(shè)計參數(shù)：正常起飛重量、發(fā)動機海平面靜推力、正常起飛重量、發(fā)動機海平面靜推力、機翼面積；由這三個參數(shù)得到對飛機性機翼面積；由這三個參數(shù)得到對飛機性能有重大影響的推重比和翼載荷。能有重大影響的推重比和翼載荷。v對于一個典型的戰(zhàn)斗機系統(tǒng)，其各子系對于一個

36、典型的戰(zhàn)斗機系統(tǒng)，其各子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系如下圖。統(tǒng)之間的耦合關(guān)系如下圖。6364飛機總體設(shè)計模型飛機總體設(shè)計模型v飛機總體設(shè)計中，一般將氣動、結(jié)構(gòu)、飛機總體設(shè)計中，一般將氣動、結(jié)構(gòu)、性能等單獨作為一個學(xué)科進行分析和計性能等單獨作為一個學(xué)科進行分析和計算，重量也作為一個單獨的學(xué)科進行設(shè)算，重量也作為一個單獨的學(xué)科進行設(shè)計。計。v同時推進、航電、雷達、武器、起落架、同時推進、航電、雷達、武器、起落架、機載系統(tǒng)等也可作為單獨學(xué)科進行考慮機載系統(tǒng)等也可作為單獨學(xué)科進行考慮和設(shè)計。和設(shè)計。v下面介紹其中四個典型學(xué)科。下面介紹其中四個典型學(xué)科。65推進學(xué)科模型推進學(xué)科模型v飛機設(shè)計與導(dǎo)彈設(shè)計不同，一般是

37、選用飛機設(shè)計與導(dǎo)彈設(shè)計不同，一般是選用發(fā)動機，不設(shè)計發(fā)動機，發(fā)動機由專門發(fā)動機，不設(shè)計發(fā)動機，發(fā)動機由專門的發(fā)動機廠家設(shè)計生產(chǎn)。的發(fā)動機廠家設(shè)計生產(chǎn)。v為保證飛機的性能要求進一步優(yōu)化，可為保證飛機的性能要求進一步優(yōu)化，可結(jié)合飛機的具體情況，開展發(fā)動機性能結(jié)合飛機的具體情況，開展發(fā)動機性能和重量分析，支持選擇更合適的發(fā)動機。和重量分析，支持選擇更合適的發(fā)動機。v這里推進學(xué)科模型包括：發(fā)動機性能模這里推進學(xué)科模型包括：發(fā)動機性能模型和發(fā)動機重量模型。型和發(fā)動機重量模型。66氣動學(xué)科模型氣動學(xué)科模型v飛機的升力、阻力特性是性能分析的重飛機的升力、阻力特性是性能分析的重要依據(jù)。設(shè)計方案能不能滿足設(shè)計要

38、求，要依據(jù)。設(shè)計方案能不能滿足設(shè)計要求，主要看飛行性能指標(biāo)是否滿足要求。主要看飛行性能指標(biāo)是否滿足要求。v本例主要利用半經(jīng)驗的工程估算方法計本例主要利用半經(jīng)驗的工程估算方法計算氣動特性作為氣動學(xué)科模型。算氣動特性作為氣動學(xué)科模型。v包括：升力特性估算和阻力特性估算兩包括：升力特性估算和阻力特性估算兩個模塊，主要計算升力線斜率、零升阻個模塊，主要計算升力線斜率、零升阻力系數(shù)和誘導(dǎo)（升致）阻力因子。力系數(shù)和誘導(dǎo)（升致）阻力因子。67重量學(xué)科模型重量學(xué)科模型v飛機的重量特性是飛機固有的特性，具飛機的重量特性是飛機固有的特性，具體指重量、重心和轉(zhuǎn)動慣量。體指重量、重心和轉(zhuǎn)動慣量。v飛機的重量由大量的各

39、類零件、外購件、飛機的重量由大量的各類零件、外購件、標(biāo)準(zhǔn)件和各種工作液體的重量組成。標(biāo)準(zhǔn)件和各種工作液體的重量組成。v在這里主要計算飛機的正常起飛重量，在這里主要計算飛機的正常起飛重量，或設(shè)計起飛總重?；蛟O(shè)計起飛總重。68飛行性能模型飛行性能模型v在飛機的初期設(shè)計階段，性能分析可用在飛機的初期設(shè)計階段，性能分析可用于飛機總體設(shè)計參數(shù)的選擇，并通過性于飛機總體設(shè)計參數(shù)的選擇，并通過性能分析檢查所設(shè)計方案是否能夠達到已能分析檢查所設(shè)計方案是否能夠達到已經(jīng)確定的設(shè)計指標(biāo)。經(jīng)確定的設(shè)計指標(biāo)。v飛機性能指標(biāo)包括：飛行包線、機動性飛機性能指標(biāo)包括：飛行包線、機動性能、巡航性能、起飛著陸性能和任務(wù)剖能、巡航

40、性能、起飛著陸性能和任務(wù)剖面等。面等。69飛行包線飛行包線v飛行包線給出飛機的飛行高度和速度范飛行包線給出飛機的飛行高度和速度范圍，由飛機的任務(wù)使命確定。圍，由飛機的任務(wù)使命確定。v右邊界最大速度限制：考慮發(fā)動機、結(jié)右邊界最大速度限制：考慮發(fā)動機、結(jié)構(gòu)強度、抖振或顫振、操縱性和安全性、構(gòu)強度、抖振或顫振、操縱性和安全性、氣動加熱等原因，取其中最小值。氣動加熱等原因，取其中最小值。v左邊界最小速度限制：考慮最大配平升左邊界最小速度限制：考慮最大配平升力、非指令性俯仰或偏航、抖振或結(jié)構(gòu)力、非指令性俯仰或偏航、抖振或結(jié)構(gòu)振動、發(fā)動機推力限制等因素，取最大振動、發(fā)動機推力限制等因素，取最大值值。70飛行包線飛行包線v最小機動速度：采用最小機動速度：采用1.2倍失速速度作為倍失速速度作為最小機動速度。最小機動速度。v上升高度限制：飛機的高度限制通常指上升高度限制：飛機的高度限制通常指升限，有理論升限和實用升限之分。飛升限，有理論升限和實用升限之分。飛機的升限取決于動力裝置推力特性、使機的升限取決于動力裝置推力特性、使用狀態(tài)、飛機氣動力和重力特性。用狀態(tài)、飛機氣動力和重力特性。71機