飛機總體設計-12第十二講-飛行器多學科設計優(yōu)化

1、Multidisciplinary Design Optimization of Flight Vehicles飛機設計研究所飛機設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計飛機總體設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)學描述的系統(tǒng)學描述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：飛機總體多學科設計優(yōu)化算例：飛機總體多學科設計優(yōu)化2優(yōu)化實例優(yōu)化實例v混料系統(tǒng)設計定的最優(yōu)化問

2、題混料系統(tǒng)設計定的最優(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，混合后的成分應滿足下列要求：分應滿足下列要求：N10.04，N20.02，N30.07v問上述三種原料各應占多少，使之既滿問上述三種原料各應占多少，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應占應占x1份，原料份，原料2 2應占應占x2份，原料份，原料3 3應占應占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函數(shù)，即：而最低成本為其目標函數(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然后畫出目標函數(shù)的等高線，例如然后畫出目標函數(shù)的等高線，例如f(x)=10那條等高線。當目標函數(shù)值增加時，這條那條等高線。當目標函數(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函數(shù)的最小值。件的目標函數(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目標函數(shù)最小值為：目標函數(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、3三種原料應按三種原料應按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，目標函數(shù)和約從上述例子中可以看到，目標函數(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飛行器設計過程通常分為概念設計、初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。步設計和詳細設計三個階段。v概念設計的結果是給出初步的總體設計概念設計的結果是給出初步的總體設計方案。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成成為衡量設計方案好壞的標準。為衡量設計方案好壞的標準。v下圖是波音公司針對彈道導彈系統(tǒng)的下圖是波音公司針對彈道導彈系統(tǒng)的LCC一個統(tǒng)計結果。一個統(tǒng)計結果。1213MDO方法的提出方法

7、的提出v由圖中看出，概念設計費用只占由圖中看出，概念設計費用只占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計的質量，采人們開始注意提高概念設計的質量，采用的手段就是優(yōu)化技術。用的手段就是優(yōu)化技術。v概念設計的目標：最小起飛重量或最大概念設計的目標：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(tǒng)飛行器設計的途進技術。下圖顯示傳統(tǒng)飛行器設計的途徑，注意設計自由度的變化。徑，注意設計自由度的變化。1415MDO方法的提出方法的提出v基本上是一種串行設計模式，不同設計基本上是一種串行設計

8、模式，不同設計階段，設計者選擇不同的學科重點對飛階段，設計者選擇不同的學科重點對飛行器進行設計和優(yōu)化，沒有考慮不同學行器進行設計和優(yōu)化，沒有考慮不同學科的耦合產(chǎn)生的協(xié)同效應，可能得不到科的耦合產(chǎn)生的協(xié)同效應，可能得不到系統(tǒng)整體最優(yōu)的設計方案。系統(tǒng)整體最優(yōu)的設計方案。v存在的問題是，概念設計階段由于已知存在的問題是，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用該階段的自由度來改善設計質量。16MDO方法的提出方法的提出v針對傳統(tǒng)設計方法的不足，針對傳統(tǒng)設計方法的不足，MDO就出現(xiàn)就出現(xiàn)了，其主要思想是在飛行器各設計階段了

9、，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)絡系統(tǒng)，利用各學科的系布式計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)，利用各學科的系統(tǒng)效應，獲得系統(tǒng)整體最優(yōu)解。統(tǒng)效應，獲得系統(tǒng)整體最優(yōu)解。v使用使用MDO方法后的設計過程、和在自由方法后的設計過程、和在自由度和知識方面期望達到的目標見下圖。度和知識方面期望達到的目標見下圖。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計自由度，概念設計階段時用更大的設計自由度，概念設計階段時間

10、增長了一倍，詳細設計階段的時間縮間增長了一倍，詳細設計階段的時間縮短了短了1/3。v概念設計階段的學科分配更加合理，在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。是允許對設計方案進行修改。19MDO的系統(tǒng)學描述的系統(tǒng)學描述v先介紹幾個專用術語。先介紹幾個專用術語。v學科（學科（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中學科又叫子系統(tǒng)、子空間，有

11、中學科又叫子系統(tǒng)、子空間，有時翻譯成時翻譯成“領域領域”或或“專業(yè)專業(yè)”。v設計變量（設計變量（Design Variable）：用于描）：用于描述工程系統(tǒng)的特征、在設計過程中可被述工程系統(tǒng)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。設計者控制的一組相互獨立的變量。2021MDO的系統(tǒng)學描述的系統(tǒng)學描述v設計變量可分為：系統(tǒng)（設計變量可分為：系統(tǒng)（System）設計）設計變量變量X和局部（和局部（ Local ）設計變量）設計變量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，學科狀態(tài)變量，學科狀態(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)在設計）：系統(tǒng)在設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)學描述的系統(tǒng)學描述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)約束和學科約束。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、系統(tǒng)參數(shù)：用于描述工程系統(tǒng)的特征、在設計過程中保持不變的一組參數(shù)在設計過程中保持不變的一組參數(shù)p。v學科分析（學科分析（Contributing Analysis CA）:以該學科設計變量

13、、其它學科對該學科以該學科設計變量、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，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。物理特性的過程。23MDO的系統(tǒng)學描述的系統(tǒng)學描述v學科分析也稱子系統(tǒng)分析或子空間分析。學科分析也稱子系統(tǒng)分析或子空間分析。設學科設學科i的狀態(tài)方程為：的狀態(tài)方程為： 則學科分析就是求解學科狀態(tài)方程：則學科分析就是求解學科狀態(tài)方程：(;,)0iiiijSX Xyy1( ,)(0;,)iiiijiiijCA X X ySX X yy24MDO的系統(tǒng)學描述的系統(tǒng)學描述v系統(tǒng)分析（系統(tǒng)分析（Syst

14、em Analysis, SA）：對）：對于整個系統(tǒng)，給定一組設計變量，通過于整個系統(tǒng)，給定一組設計變量，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，分析過程一般的過程。由于耦合效應，分析過程一般需要多次迭代才能完成。需要多次迭代才能完成。12ny =SA(X,X ,X ,X )25MDO的系統(tǒng)學描述的系統(tǒng)學描述v一致性設計（一致性設計（Consistent Design）：在）：在系統(tǒng)分析過程中，由設計變量及其相應系統(tǒng)分析過程中，由設計變量及其相應的滿足系統(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)變量組成的一個設計方案。成的一個設

15、計方案。v可行設計（可行設計（Feasible Design）：滿足所）：滿足所有設計要求或設計約束的一致性設計。有設計要求或設計約束的一致性設計。v最優(yōu)設計（最優(yōu)設計（Optimal Design）：使目標）：使目標函數(shù)最小或最大的可行設計。函數(shù)最小或最大的可行設計。26MDO的系統(tǒng)學描述的系統(tǒng)學描述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)學形問題用數(shù)學形式表示如下：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，其專長是結構，其專長是結構優(yōu)化。優(yōu)化。1982年他在研究大型結構優(yōu)化問年他在研究大型結構優(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的設想，后來提出基于敏度分析的的設想，后來提出基于敏度分析的MDO方法，引起了學術界極大關注。方法，引起了學術界極大關注。v由于飛行器系統(tǒng)日益復雜，航空航天領由于飛行器系統(tǒng)日益復雜，航空航天

17、領域最先開展域最先開展MDO研究和應用。研究和應用。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家家機構聯(lián)合召開了第一屆機構聯(lián)合召開了第一屆“多學科分析與多學科分析與優(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技術委技術委員會，標志著員會，標志著MDO作為一個新的研究領作為一個新的研究領域正式誕生。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科設計優(yōu)化分部（立了多學科設計優(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“航空航空航天領域中的多學科設計優(yōu)化研究綜述航天領域中的多學科設計優(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“多學科設計研究最新進展多學科設計研究最新進展”一書，闡一書，闡述了述了MDO的概念、基本方法、學科發(fā)展、的概念、基本方法、學科發(fā)展、近似概念和應用環(huán)境等內(nèi)容。近似概念和應用環(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“在多學科團隊中發(fā)揮在多學科團隊中發(fā)揮作用的能力作用的能力”確定為面向確定為面向21世紀的工科世紀的工科大學畢業(yè)生亟待培養(yǎng)與加強的能力，從大學畢業(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年起，佐治亞理工學院等大學開始開設這方面的課程。開設這方面的課程。v1998年，年，“工程系統(tǒng)的多學科設計優(yōu)化工程系統(tǒng)的多學科設計優(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多所院校開設了該課程多所院校開設了該課程31國內(nèi)外國內(nèi)外MDO研究進展研究進展vMDO在工業(yè)界也得到應用，在工業(yè)界也得到應用，1998年年

20、AIAA的的MDO技術委員會就技術委員會就MDO在工業(yè)在工業(yè)中的應用進行了調查，涉及到波音公司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的翼身融合飛機、旋翼飛行器的旋翼設計與優(yōu)化以及計與優(yōu)化以及F/A-18E/F飛機的設計優(yōu)化，飛機的設計優(yōu)化，洛洛馬公司的馬公司的F-22飛機結構飛機結構/氣動一體化設氣動一體化設計和計和F-16高敏捷高敏捷“戰(zhàn)隼戰(zhàn)隼”的多學科設計的多學科設計與優(yōu)化，歐洲區(qū)域運輸機結構優(yōu)化以及與優(yōu)化，歐洲區(qū)域運輸機結構優(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，范圍從航空航天領研究，范圍從航空航天領域擴展到汽車、通信、運輸、機械、醫(yī)域擴展到汽車、通信、運輸、機械、醫(yī)療、建筑等領域。療、建筑等領域。v包括北航在內(nèi)的我國多個學術機構和設包括北航在內(nèi)的我國多個學術機構和設計單位在計單位在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應當由政府部門、大學和工業(yè)界共應當由政府部門、大學和工

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認為：航空航天對認為：航空航天對MDO的研究和的研究和應用有廣泛的興趣和支持，新的飛行器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足可承受性，成本帶入設計過程會改變設計問題的數(shù)學本質。設計問題的數(shù)學本質。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，是飛行器設計的設計的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屬于政府機構的另一個部門是屬于政府機構的另一個部門是AIAA的的MDO技術委員會。技術委員會。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：佐治亞理工學院航天院校研究中心有：佐治亞理工學院航天系統(tǒng)設計實驗室系統(tǒng)設計實驗室(SSDL)和航空系統(tǒng)設計和航空系統(tǒng)設計實驗室實驗室(ASDL)，斯坦福大學航空航天計，斯坦福大學航空航天計算實驗室算實驗室(ACL)和飛機氣動與設計小組和飛機氣動與設計小組(ADG)，弗吉尼亞

24、工學院與州立大學先，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(yōu)化小組等等。佛羅里達大學結構與學科優(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，以提高設計質量、縮短設計周期、研究，以提高設計質量、縮短設計周期、節(jié)省設計費用。節(jié)省設計費用。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)表了不少有關俄羅斯近年來發(fā)表了不少有關MDO的論的論文

25、，如俄羅斯空間科學研究院研制的文，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，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面方法巧妙結合，可求解非進化式響應面方法巧妙結合，可求解非光滑、隨機、多目標、混合變量等各類光滑、隨機、多目標、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域得到應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(yè)、

26、加工業(yè)、用，然后逐步推廣到汽車業(yè)、加工業(yè)、生物工程等各個領域。進入商業(yè)化，向生物工程等各個領域。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、多準則與并行優(yōu)化技術緊密結合進級、多準則與并行優(yōu)化技術緊密結合進行設計的手段，下圖就是對這種行設計的手段，下圖就是對這種MDO設設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。其主要目標包括：飛行器壽命周期的初步主要目標包括：飛行器壽命周期的初步設

27、計階段的集成問題，并行設計階段的集成問題，并行MDO方法，方法，信息技術與設計技術的進一步融合。信息技術與設計技術的進一步融合。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科設計優(yōu)化的多學科設計優(yōu)化 。43其它國家其它國家MDO研究進展研究進展v日本大阪大學系統(tǒng)設計工程實驗室日本大阪大學系統(tǒng)設計工程實驗室(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設計方法。設計方法。v韓國漢陽大學的靈敏度分析與設計革新韓國漢陽大學的靈敏度分析與設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大學氣動設計與多學科設計大學氣動設計與多學科設計優(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的應用已經(jīng)的應用已經(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、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京工業(yè)大學、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、實例、與混合優(yōu)化策略比較）性質、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、神經(jīng)網(wǎng)絡(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)學和物理科學、神經(jīng)系統(tǒng)和統(tǒng)計力學等學和物理科學、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構造的算概念，都是以一定的直觀基礎構造的算法，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與導數(shù)無關；與導數(shù)無關；v

31、直觀的思路；直觀的思路；v靈活性：對目標函數(shù)的要求少；靈活性：對目標函數(shù)的要求少；v應用廣泛性：對設計空間，變量無苛刻應用廣泛性：對設計空間，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飛機總體設計多學科優(yōu)化飛機總體設計多學科優(yōu)化v飛機總體設計是一個復雜的系統(tǒng)工程，飛機總體設計是一個復雜的系統(tǒng)工程，涵蓋多個學科的內(nèi)容，如氣動、結構、涵蓋多個學科的內(nèi)容，如氣動、結構、推進、

32、控制等。推進、控制等。v對于其中任意一個學科，可以進行計算對于其中任意一個學科，可以進行計算分析和優(yōu)化設計，建立相應的數(shù)學模型分析和優(yōu)化設計，建立相應的數(shù)學模型和計算軟件。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)學模型，只是學科簡單組合。和優(yōu)化數(shù)學模型，只是學科簡單組合。59飛機總體設計多學科優(yōu)化飛機總體設計多學科優(yōu)化v飛機總體設計包含大量設計變量、性能飛機總體設計包含大量設計變量、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，其設計目標對設計之間相互交叉影響，其設計目標對設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，設計人員能夠跨越需求分，設計人員能夠跨越需求分析、方案設計、參數(shù)設計、仿真分析之析、方案設計、參數(shù)設計、仿真分析之間的鴻溝，在概念設計階段完成飛機性間的鴻溝，在概念設計階段完成飛機性能優(yōu)化和效能評估，縮短設計周期。能優(yōu)化和效能評估，縮短設計周期。60飛機總體設計多學科優(yōu)化飛機總體設計多學科優(yōu)化v我國飛機設計人員也嘗試利用優(yōu)化技術來改我國飛機設計人員也嘗試利用優(yōu)化技術來改善設計，但實踐中效果并不理想，主要有三善設計，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)的串行設計造成各學科的人為分割；傳統(tǒng)的串行設計造成各學科的人為分割；v各學科不斷細化的模型和成果并未在總體設各學科不斷細化的模型和成果并未在總體設計過程中得到充分利用。計過程中得到充分利用。61飛機總體設計多學科優(yōu)化飛機總體設計多學科優(yōu)化v進行飛機總體的多學科設計優(yōu)化，有利進行飛機總體的多學科設計優(yōu)化，有利于沖破傳統(tǒng)設計框架與設計思想的束縛，于沖破傳統(tǒng)設計框架與設計思想的束縛，基于現(xiàn)代信息技術和設計技術，引入數(shù)基于現(xiàn)代信息技術和設計技術，引入數(shù)字化設計流程，革新傳統(tǒng)設計模式與設字化設計流程，革新傳統(tǒng)設計模式與設計理念。計理念。v形成集設計、仿真、效能評估一體化的形成集設計、仿

35、真、效能評估一體化的設計體系，從而加快研發(fā)速度、提高設設計體系，從而加快研發(fā)速度、提高設計質量和節(jié)省壽命周期費用。計質量和節(jié)省壽命周期費用。62飛機總體設計模型飛機總體設計模型v飛機總體設計工作包括方案設計、總體飛機總體設計工作包括方案設計、總體參數(shù)設計、決策和優(yōu)化。參數(shù)設計、決策和優(yōu)化。v一般首先確定三個飛機主要設計參數(shù)：一般首先確定三個飛機主要設計參數(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)之間的耦合關系如下圖。統(tǒng)之間的耦合關系如下圖。6364飛機總體設計模型飛機總體設計模型v飛機總體設計中，一般將氣動、結構、飛機總體設計中，一般將氣動、結構、性能等單獨作為一個學科進行分析和計性能等單獨作為一個學科進行分析和計算，重量也作為一個單獨的學科進行設算，重量也作為一個單獨的學科進行設計。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)等也可作為單獨學科進行考慮機載系統(tǒng)等也可作為單獨學科進行考慮和設計。和設計。v下面介紹其中四個典型學科。下面介紹其中四個典型學科。65推進學科模型推進學科模型v飛機設計與導彈設計不同，一般是

37、選用飛機設計與導彈設計不同，一般是選用發(fā)動機，不設計發(fā)動機，發(fā)動機由專門發(fā)動機，不設計發(fā)動機，發(fā)動機由專門的發(fā)動機廠家設計生產(chǎn)。的發(fā)動機廠家設計生產(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，可結合飛機的具體情況，開展發(fā)動機性能結合飛機的具體情況，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這里推進學科模型包括：發(fā)動機性能模這里推進學科模型包括：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氣動學科模型氣動學科模型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)。設計方案能不能滿足設計要

38、求，要依據(jù)。設計方案能不能滿足設計要求，主要看飛行性能指標是否滿足要求。主要看飛行性能指標是否滿足要求。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科模型。算氣動特性作為氣動學科模型。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（升致）阻力因子。力系數(shù)和誘導（升致）阻力因子。67重量學科模型重量學科模型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、重心和轉動慣量。體指重量、重心和轉動慣量。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、標準件和各種工作液體的重量組成。標準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，或設計起飛總重?；蛟O計起飛總重。68飛行性能模型飛行性能模型v在飛機的初期設計階段，性能分析可用在飛機的初期設計階段，性能分析可用于飛機總體設計參數(shù)的選擇，并通過性于飛機總體設計參數(shù)的選擇，并通過性能分析檢查所設計方案是否能夠達到已能分析檢查所設計方案是否能夠達到已經(jīng)確定的設計指標。經(jīng)確定的設計指標。v飛機性能指標包括：飛行包線、機動性飛機性能指標包括：飛行包線、機動性能、巡航性能、起飛著陸性能和任務剖能、巡航

40、性能、起飛著陸性能和任務剖面等。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，由飛機的任務使命確定。圍，由飛機的任務使命確定。v右邊界最大速度限制：考慮發(fā)動機、結右邊界最大速度限制：考慮發(fā)動機、結構強度、抖振或顫振、操縱性和安全性、構強度、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、抖振或結構力、非指令性俯仰或偏航、抖振或結構振動、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