飛機(jī)總體參數(shù)優(yōu)化及設(shè)計(jì)過(guò)程

1、第六章 飛機(jī)總體參數(shù)優(yōu)化6.1 飛機(jī)總體參數(shù)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu) 化 n6.1.1多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的基本概念 飛機(jī)總體設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，覆蓋了多個(gè)學(xué)科的內(nèi)容，例如空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)，推進(jìn)理論，控制論等。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化是一種解決大型復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中耦合與權(quán)衡問(wèn)題，同時(shí)對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效方法。n多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（Multidisciplinary Design Optimization）是一種解決大型復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中耦合與權(quán)衡問(wèn)題，同時(shí)對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效方法。n1 通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)解決不同學(xué)科間權(quán)衡問(wèn)題，給出整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。n2

2、通過(guò)直接或間接的數(shù)值計(jì)算方法解決各學(xué)科之間的耦合問(wèn)題，容易獲得各學(xué)科之間協(xié)調(diào)一致的設(shè)計(jì)，消除了過(guò)去依靠經(jīng)驗(yàn)試湊迭代計(jì)算解決耦合問(wèn)題。n3 通過(guò)系統(tǒng)分解使計(jì)算并行化成為可能，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將分散在不同地區(qū)和設(shè)計(jì)部門(mén)的計(jì)算模塊和專(zhuān)家組織起來(lái)，實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。n4 通過(guò)近似技術(shù)和可變復(fù)雜性模型的分析方法，減少系統(tǒng)分析次數(shù)，提高設(shè)計(jì)優(yōu)化效率。n5通過(guò)系統(tǒng)和各子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的模塊化以及它們之間有效的通訊及其組織形式，使各學(xué)科各計(jì)算模塊之間數(shù)據(jù)傳輸量和所需附加操作盡可能少。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)有下列特點(diǎn)MOD算法并行子空間算法單級(jí)優(yōu)化算法協(xié)同優(yōu)化算法多學(xué)科優(yōu)化的算法n多學(xué)科優(yōu)化（

3、MOD） 算法可歸納為三大類(lèi)：?jiǎn)渭?jí)優(yōu)化算法、并行子空間優(yōu)化算法和協(xié)作優(yōu)化算法。6.1.2 6.1.2 協(xié)同優(yōu)化協(xié)同優(yōu)化（Collaborative Optimization）協(xié)同優(yōu)化將優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題分為兩級(jí)：一個(gè)系統(tǒng)級(jí)和并行的多個(gè)學(xué)科級(jí)。 協(xié)同優(yōu)化算法框架圖協(xié)同優(yōu)化算法框架圖6.1.3 6.1.3 并行子空間優(yōu)化（并行子空間優(yōu)化（Concurrent Concurrent Subspace OptimizationSubspace Optimization）n并行子空間優(yōu)化算法將設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題分解為若干個(gè)學(xué)科級(jí)優(yōu)化問(wèn)題和一個(gè)系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化問(wèn)題。在學(xué)科級(jí)（子空間）優(yōu)化中，本學(xué)科的狀態(tài)變量計(jì)算通過(guò)該學(xué)科的

4、精確模型來(lái)獲取，所涉及的其它學(xué)科的狀態(tài)變量計(jì)算通過(guò)某種近似模型來(lái)得到。各學(xué)科優(yōu)化計(jì)算相互獨(dú)立，可并行進(jìn)行，因此稱(chēng)為并行子空間優(yōu)化算法。 并行子空間優(yōu)化算法框架圖并行子空間優(yōu)化算法框架圖6.1.4 6.1.4 某通用航空飛機(jī)總體參數(shù)優(yōu)化某通用航空飛機(jī)總體參數(shù)優(yōu)化1. 飛機(jī)總體參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，以飛機(jī)總重最小為目標(biāo)，要求滿(mǎn)足航程和失速速度的約束要求，即：航程必須大于允許的最小航程；失速速度不得超過(guò)允許的最大失速速度，以便獲得較好的失速特性。 n2.在飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般將氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)和性能等列為單獨(dú)的學(xué)科進(jìn)行分析和計(jì)算。n3.該設(shè)計(jì)問(wèn)題涉及到三個(gè)學(xué)科：氣動(dòng)分析學(xué)科、重量分析學(xué)科和性能分析學(xué)科。各學(xué)科 的

5、信息交流如圖6.3 所示：4. 各學(xué)科內(nèi)部的信息流(如圖6.4 所示)：5. 5. 系統(tǒng)級(jí)和學(xué)科級(jí)的優(yōu)化模型系統(tǒng)級(jí)和學(xué)科級(jí)的優(yōu)化模型n系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化模型：氣動(dòng)學(xué)科優(yōu)化模型：氣動(dòng)學(xué)科優(yōu)化模型：重量學(xué)科優(yōu)化模型：重量學(xué)科優(yōu)化模型： 重量學(xué)科存在內(nèi)部耦合關(guān)系，需要通過(guò)迭代分析求出狀態(tài)變量（ WE 和Wdg ）的精確值。WE的計(jì)算依賴(lài)于氣動(dòng)學(xué)科的LD，因此該學(xué)科的不確定性來(lái)自于LD 的近似信息。 性能學(xué)科優(yōu)化模型：性能學(xué)科優(yōu)化模型：式中：“”表示響應(yīng)面構(gòu)造的其他相關(guān)學(xué)科的近似模型，“RSM”代表響應(yīng)面，不標(biāo)注者為精確模型。6.2 面向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法n現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)是一個(gè)極復(fù)雜的系統(tǒng)工程，決定了飛機(jī)設(shè)計(jì)方法是

6、建立和研究大型復(fù)雜系統(tǒng)的功能性規(guī)律最一般的描述及對(duì)其進(jìn)行分析和綜合的方法。6.2.1 6.2.1 現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)n作為設(shè)計(jì)對(duì)象的現(xiàn)代飛機(jī)是一個(gè)極復(fù)雜的工程系統(tǒng)，具有高度的層次結(jié)構(gòu)無(wú)論是軍用飛機(jī)還是民用飛機(jī)，都是由機(jī)體平臺(tái)、動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)載設(shè)備、控制系統(tǒng)等構(gòu)成的。飛機(jī)的各系統(tǒng)是相互聯(lián)系和互相制約的。 n飛機(jī)設(shè)計(jì)的任務(wù)是確定飛機(jī)的布局、結(jié)構(gòu)和其他各組成部分。飛機(jī)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的多階段的過(guò)程，同時(shí)也是一個(gè)反復(fù)迭代、逐漸接近給定或最優(yōu)的過(guò)程，其設(shè)計(jì)過(guò)程框圖6.5如下：飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程圖飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程圖n此框圖的實(shí)質(zhì)是在對(duì)各種備選設(shè)計(jì)方案多次重復(fù)分析的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)新的技術(shù)目標(biāo)的綜合。設(shè)計(jì)過(guò)程中

7、的優(yōu)化有雙重作用：保證從所研究的許多方案中作出最優(yōu)的決策；保證在抉擇方案內(nèi)確定設(shè)計(jì)參數(shù)最有利的組合。6.2.2 6.2.2 面向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法面向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法n面向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是在充分考慮影響系統(tǒng)完成任務(wù)和達(dá)到指定目標(biāo)的所有因素基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究。以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問(wèn)題可歸結(jié)為：總的目標(biāo)函數(shù)在多種約束條件下的優(yōu)化問(wèn)題。 數(shù)學(xué)模型的建立從對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的形式描述開(kāi)始。在一般的情況下，設(shè)計(jì)對(duì)象靠其模型表達(dá)出其概念。為此一開(kāi)始要找出合適的參數(shù)，使其能對(duì)模型分析的結(jié)果產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響。這是設(shè)計(jì)工作帶有創(chuàng)造性的十分重要的階段。n在飛機(jī)論證設(shè)計(jì)階段，數(shù)學(xué)模型的作用特別大，基本上是采用有效性模型

8、和經(jīng)濟(jì)性模型來(lái)描述大量的各個(gè)系統(tǒng)和組成部分的功能。飛機(jī)作為整個(gè)航空系統(tǒng)中的一員其數(shù)學(xué)模型可視為參數(shù)化的“點(diǎn)”模型，此時(shí)的飛機(jī)設(shè)計(jì)為面向工程的設(shè)計(jì)。n在飛機(jī)初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段所使用的模型則不同，應(yīng)盡量詳細(xì)和完備地考慮影響選擇設(shè)計(jì)方案的各種因素。這時(shí)的數(shù)學(xué)模型可視為參數(shù)化的“實(shí)體”模型，飛機(jī)設(shè)計(jì)為面向產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。 根據(jù)飛機(jī)性能和參數(shù)的關(guān)系，可將反映其結(jié)構(gòu)和功能的不同方面分組，組成一系列的子模型，主要有：n1） 幾何模型，描述飛機(jī)參數(shù)和其外形及尺寸特性之間的關(guān)系。這一模型也稱(chēng)之為統(tǒng)一數(shù)模。n2） 重量模型，統(tǒng)一描述飛機(jī)幾何形狀與結(jié)構(gòu)承力系統(tǒng)、飛機(jī)構(gòu)造與設(shè)備布置、飛機(jī)裝載情況與全機(jī)及各部件重量之間

9、的關(guān)系。n3） 氣動(dòng)模型，描述飛機(jī)的幾何特性和氣動(dòng)力特性（各種飛行狀態(tài)下的氣動(dòng)阻力、升力、力矩以及力和力矩系數(shù)）之間的關(guān)系。n4） 動(dòng)力裝置模型，描述在各種飛行狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸、布置和推力及耗油率之間的關(guān)系。n5） 飛行動(dòng)力學(xué)模型，描述飛機(jī)的飛行性能和機(jī)動(dòng)性能（速度范圍、航程、爬升率、升限、過(guò)載等）與飛機(jī)的氣動(dòng)力、重量特性和動(dòng)力裝置特性之間的關(guān)系。n6） 飛行操穩(wěn)與控制模型，描述飛機(jī)的幾何特性、重量特性（慣性）、氣動(dòng)力特性與操縱性、穩(wěn)定性和控制系統(tǒng)之間的關(guān)系。n7） 強(qiáng)度模型，描述飛機(jī)的氣動(dòng)載荷、重量和幾何特性與飛機(jī)承力結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度特性、應(yīng)力水平和變形大小之間的關(guān)系?，F(xiàn)廣泛采用的是有限元模型

10、FEM。n8） 經(jīng)濟(jì)性模型，表示飛機(jī)的技術(shù)參數(shù)與其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用的費(fèi)用之間的關(guān)系。 對(duì)于求目標(biāo)函數(shù)極值的優(yōu)化問(wèn)題，其數(shù)學(xué)模型的一般表達(dá)式為： 有了完全能夠反映實(shí)際對(duì)象的模型，就可以解決尋找可行的或最優(yōu)的目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)。n在上述目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)化過(guò)程中，q=1 為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，q1 為多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。在多目標(biāo)優(yōu)化方法中，由于各目標(biāo)優(yōu)化對(duì)設(shè)計(jì)變量的要求往往是互相矛盾的，這就需要進(jìn)行協(xié)調(diào)，以便取得一個(gè)對(duì)于各目標(biāo)函數(shù)都比較好的最佳方案。6.2.3 6.2.3 面向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則與評(píng) 估方法n評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的選擇是系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作最主要的組成部分。每當(dāng)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)定或要從若干方案中選定某一方案時(shí)都要有評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。不僅飛機(jī)性能和參數(shù)量值的確定，而且所設(shè)計(jì)和制造出來(lái)的飛機(jī)的未來(lái)發(fā)展都要依賴(lài)于評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的正確運(yùn)用。 有關(guān)飛機(jī)設(shè)計(jì)的通用評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的基本要求簡(jiǎn)述如下：n1) 準(zhǔn)則應(yīng)該是可以度量的值，計(jì)算方法應(yīng)是已 知的；n2) 準(zhǔn)則應(yīng)考慮設(shè)計(jì)對(duì)象的基本目的，同時(shí)也要考慮使用條件和限制；n3) 準(zhǔn)則應(yīng)包括必須進(jìn)行評(píng)價(jià)或優(yōu)化的參數(shù)和性能；n4) 必須使在不同層次上（各設(shè)計(jì)階段）選擇方案的準(zhǔn)則不能有矛盾；n5) 最好對(duì)各設(shè)計(jì)階段都是同一個(gè)準(zhǔn)則。n決策過(guò)程必須遵