飛行器多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化

飛行器多學(xué)科

設(shè)計(jì)優(yōu)化

飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所航空科學(xué)與工程學(xué)院飛機(jī)總體設(shè)計(jì)第十二講

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飛行器多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化MultidisciplinaryDesignOptimizationofFlightVehicles2/5/20232內(nèi)容基本概念MDO方法的提出MDO的系統(tǒng)學(xué)描述國(guó)內(nèi)外MDO研究進(jìn)展（美國(guó)、俄羅斯、歐洲、其它國(guó)家、國(guó)內(nèi)情況）優(yōu)化方法算例：導(dǎo)彈多學(xué)科集成設(shè)計(jì)優(yōu)化2/5/202332/5/202342/5/202352/5/202362/5/20237MDO方法的提出飛行器設(shè)計(jì)過(guò)程通常分為概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)三個(gè)階段。概念設(shè)計(jì)的結(jié)果是給出初步的總體設(shè)計(jì)方案。經(jīng)濟(jì)可承受性問(wèn)題被重視，因而LCC成為衡量設(shè)計(jì)方案好壞的標(biāo)準(zhǔn)。下圖是波音公司針對(duì)彈道導(dǎo)彈系統(tǒng)的LCC一個(gè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。2/5/202382/5/20239MDO方法的提出由圖中看出，概念設(shè)計(jì)費(fèi)用只占LCC的1%，做出的決策所決定的費(fèi)用為70%。人們開(kāi)始注意提高概念設(shè)計(jì)的質(zhì)量，采用的手段就是優(yōu)化技術(shù)。概念設(shè)計(jì)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(dòng)力學(xué)和推進(jìn)技術(shù)。下圖顯示傳統(tǒng)飛行器設(shè)計(jì)的途徑，注意設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)模式，不同設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者選擇不同的學(xué)科重點(diǎn)對(duì)飛行器進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，沒(méi)有考慮不同學(xué)科的耦合產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，可能得不到系統(tǒng)整體最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。存在的問(wèn)題是，概念設(shè)計(jì)階段由于已知信息短缺、強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)學(xué)科，不能充分利用該階段的自由度來(lái)改善設(shè)計(jì)質(zhì)量。2/5/202312MDO方法的提出針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)階段力求學(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)化策略和分布式計(jì)算機(jī)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。使用MDO方法后的設(shè)計(jì)過(guò)程、和在自由度和知識(shí)方面期望達(dá)到的目標(biāo)見(jiàn)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(shè)計(jì)自由度，概念設(shè)計(jì)階段時(shí)間增長(zhǎng)了一倍，詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的時(shí)間縮短了1/3。概念設(shè)計(jì)階段的學(xué)科分配更加合理，在總體設(shè)計(jì)階段引入更多的知識(shí)來(lái)提出更加合理的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)自由度的實(shí)質(zhì)是允許對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改。2/5/202315MDO的系統(tǒng)學(xué)描述先介紹幾個(gè)專(zhuān)用術(shù)語(yǔ)。學(xué)科（Discipline）：系統(tǒng)中本身相對(duì)獨(dú)立、相互之間又有數(shù)據(jù)交換的基本模塊，在MDO中學(xué)科又叫子系統(tǒng)、子空間，有時(shí)翻譯成“領(lǐng)域”或“專(zhuān)業(yè)”。設(shè)計(jì)變量（DesignVariable）：用于描述工程系統(tǒng)的特征、在設(shè)計(jì)過(guò)程中可被設(shè)計(jì)者控制的一組相互獨(dú)立的變量。2/5/2023162/5/202317MDO的系統(tǒng)學(xué)描述設(shè)計(jì)變量可分為：系統(tǒng)（System）設(shè)計(jì)變量X和局部（Local）設(shè)計(jì)變量Xi。狀態(tài)變量（StateVariable）：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(xué)科狀態(tài)變量yi

和耦合狀態(tài)變量yij。約束條件（Constraints）：系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須滿(mǎn)足的條件。2/5/202318MDO的系統(tǒng)學(xué)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(tǒng)約束和學(xué)科約束。系統(tǒng)參數(shù)：用于描述工程系統(tǒng)的特征、在設(shè)計(jì)過(guò)程中保持不變的一組參數(shù)p。學(xué)科分析（ContributingAnalysisCA）:以該學(xué)科設(shè)計(jì)變量、其它學(xué)科對(duì)該學(xué)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(gè)學(xué)科滿(mǎn)足的物理規(guī)律確定其物理特性的過(guò)程。2/5/202319MDO的系統(tǒng)學(xué)描述學(xué)科分析也稱(chēng)子系統(tǒng)分析或子空間分析。設(shè)學(xué)科i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：2/5/202320MDO的系統(tǒng)學(xué)描述系統(tǒng)分析（SystemAnalysis,SA）：對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)，給定一組設(shè)計(jì)變量，通過(guò)求解系統(tǒng)的狀態(tài)方程得到系統(tǒng)狀態(tài)變量的過(guò)程。由于耦合效應(yīng)，分析過(guò)程一般需要多次迭代才能完成。2/5/202321MDO的系統(tǒng)學(xué)描述一致性設(shè)計(jì)（ConsistentDesign）：在系統(tǒng)分析過(guò)程中，由設(shè)計(jì)變量及其相應(yīng)的滿(mǎn)足系統(tǒng)狀態(tài)方程的系統(tǒng)狀態(tài)變量組成的一個(gè)設(shè)計(jì)方案。可行設(shè)計(jì)（FeasibleDesign）：滿(mǎn)足所有設(shè)計(jì)要求或設(shè)計(jì)約束的一致性設(shè)計(jì)。最優(yōu)設(shè)計(jì)（OptimalDesign）：使目標(biāo)函數(shù)最小或最大的可行設(shè)計(jì)。2/5/2023222/5/202323國(guó)內(nèi)外MDO研究進(jìn)展MDO于1980年代發(fā)展起來(lái)。奠基人是J.Sobieszczanski-Sobieski，其專(zhuān)長(zhǎng)是結(jié)構(gòu)優(yōu)化。1982年他在研究大型結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題求解的一篇論文中，首次提出了MDO的設(shè)想，后來(lái)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。由于飛行器系統(tǒng)日益復(fù)雜，航空航天領(lǐng)域最先開(kāi)展MDO研究和應(yīng)用。2/5/202324國(guó)內(nèi)外MDO研究進(jìn)展1986年，AIAA/NASA/USAF/OAI等4家機(jī)構(gòu)聯(lián)合召開(kāi)了第一屆“多學(xué)科分析與優(yōu)化”專(zhuān)題研討會(huì)，以后每2年一次。1991年，AIAA成立專(zhuān)門(mén)的MDO技術(shù)委員會(huì)，標(biāo)志著MDO作為一個(gè)新的研究領(lǐng)域正式誕生。1994年，NASA在郎利研究中心正式成立了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化分部（MDOB）。2/5/202325國(guó)內(nèi)外MDO研究進(jìn)展1996年，Sobieski和Haftka撰寫(xiě)了“航空航天領(lǐng)域中的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化研究綜述”一文，對(duì)MDO的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)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(xué)科設(shè)計(jì)研究最新進(jìn)展”一書(shū)，闡述了MDO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。2/5/202326國(guó)內(nèi)外MDO研究進(jìn)展MDO在美國(guó)大專(zhuān)院校也受到重視。美國(guó)在1990年代初把“在多學(xué)科團(tuán)隊(duì)中發(fā)揮作用的能力”確定為面向21世紀(jì)的工科大學(xué)畢業(yè)生亟待培養(yǎng)與加強(qiáng)的能力，從1991年起，佐治亞理工學(xué)院等大學(xué)開(kāi)始開(kāi)設(shè)這方面的課程。1998年，“工程系統(tǒng)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化”列為美國(guó)研究生必修課程，目前，已有50多所院校開(kāi)設(shè)了該課程2/5/202327國(guó)內(nèi)外MDO研究進(jìn)展MDO在工業(yè)界也得到應(yīng)用，1998年AIAA的MDO技術(shù)委員會(huì)就MDO在工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了調(diào)查，涉及到波音公司的翼身融合飛機(jī)、旋翼飛行器的旋翼設(shè)計(jì)與優(yōu)化以及F/A-18E/F飛機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，洛·馬公司的F-22飛機(jī)結(jié)構(gòu)/氣動(dòng)一體化設(shè)計(jì)和F-16高敏捷“戰(zhàn)隼”的多學(xué)科設(shè)計(jì)與優(yōu)化，歐洲區(qū)域運(yùn)輸機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及以A3XXX為研究對(duì)象的工作。2/5/202328國(guó)內(nèi)外MDO研究進(jìn)展目前，MDO在國(guó)際上形成了研究熱潮，除美國(guó)外，歐洲、俄羅斯、日本等國(guó)家都在進(jìn)行MDO研究，范圍從航空航天領(lǐng)域擴(kuò)展到汽車(chē)、通信、運(yùn)輸、機(jī)械、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域。包括北航在內(nèi)的我國(guó)多個(gè)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)單位在MDO方面的研究也十分積極，并取得了不少進(jìn)展。2/5/202329美國(guó)的MDO研究現(xiàn)狀1991年，美國(guó)的MDO白皮書(shū)明確提出：MDO應(yīng)當(dāng)由政府部門(mén)、大學(xué)和工業(yè)界共同推動(dòng)。政府部門(mén)：NASA的MDOB，1994年NASA認(rèn)為：航空航天對(duì)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(jì)要在滿(mǎn)足性能要求前提下盡可能滿(mǎn)足可承受性，成本帶入設(shè)計(jì)過(guò)程會(huì)改變?cè)O(shè)計(jì)問(wèn)題的數(shù)學(xué)本質(zhì)。2/5/202330美國(guó)的MDO研究現(xiàn)狀MDOB已發(fā)起了10多項(xiàng)大型項(xiàng)目，如X-33噴管研究（1995~1998），高性能計(jì)算與通信計(jì)劃（HPCCP,1995~2002），在該計(jì)劃下的HSCT系統(tǒng)研究，是飛行器設(shè)計(jì)的MDO方法研究最深入最持久影響最大的項(xiàng)目。屬于政府機(jī)構(gòu)的另一個(gè)部門(mén)是AIAA的MDO技術(shù)委員會(huì)。2/5/202331美國(guó)的MDO研究現(xiàn)狀院校研究中心有：佐治亞理工學(xué)院航天系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室(SSDL)和航空系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室(ASDL)，斯坦福大學(xué)航空航天計(jì)算實(shí)驗(yàn)室(ACL)和飛機(jī)氣動(dòng)與設(shè)計(jì)小組(ADG)，弗吉尼亞工學(xué)院與州立大學(xué)先進(jìn)飛行器多學(xué)科分析與設(shè)計(jì)中心(MAD)，佛羅里達(dá)大學(xué)結(jié)構(gòu)與學(xué)科優(yōu)化小組等等。2/5/202332美國(guó)的MDO研究現(xiàn)狀美國(guó)許多大型企業(yè)都積極開(kāi)展MDO運(yùn)用研究，以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期、節(jié)省設(shè)計(jì)費(fèi)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(xiàn)狀俄羅斯近年來(lái)發(fā)表了不少有關(guān)MDO的論文，如俄羅斯空間科學(xué)研究院研制的IOSO(IndirectOptimizationonthebasisofSelf-Organization)，可用于求解各類(lèi)MDO問(wèn)題。該算法將基于梯度的非線(xiàn)性規(guī)劃方法與進(jìn)化式響應(yīng)面方法巧妙結(jié)合，可求解非光滑、隨機(jī)、多目標(biāo)、混合變量等各類(lèi)優(yōu)化問(wèn)題。2/5/2023342/5/202335俄羅斯的MDO研究現(xiàn)狀I(lǐng)OSO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(chē)業(yè)、加工業(yè)、生物工程等各個(gè)領(lǐng)域。進(jìn)入商業(yè)化，向國(guó)際推廣。俄羅斯對(duì)MDO的理解：MDO就是將多級(jí)、多準(zhǔn)則與并行優(yōu)化技術(shù)緊密結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)的手段，下圖就是對(duì)這種MDO設(shè)計(jì)方法的理解。2/5/2023362/5/2023372/5/202338歐洲MDO研究進(jìn)展1996年，歐盟啟動(dòng)了“MDO工程”，由空客牽頭，共10余個(gè)研究單位參加。其主要目標(biāo)包括：飛行器壽命周期的初步設(shè)計(jì)階段的集成問(wèn)題，并行MDO方法，信息技術(shù)與設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)一步融合。MOB項(xiàng)目是歐盟正在進(jìn)行的大型分布式MDO項(xiàng)目，主要內(nèi)容為翼身融合體布局的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化。2/5/202339其它國(guó)家MDO研究進(jìn)展日本大阪大學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程實(shí)驗(yàn)室(SDEL)，研究方向?yàn)槔糜?jì)算機(jī)支持發(fā)展產(chǎn)品MDO設(shè)計(jì)方法。韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)的靈敏度分析與設(shè)計(jì)革新實(shí)驗(yàn)室(SANDI)，主要進(jìn)行靈敏度分析方法、全局優(yōu)化等研究。韓國(guó)Konkuk大學(xué)氣動(dòng)設(shè)計(jì)與多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室(ADMOL)。2/5/202340國(guó)內(nèi)MDO研究進(jìn)展國(guó)內(nèi)跟蹤MDO和研究MDO的應(yīng)用已經(jīng)有10多年的時(shí)間了，取得了一些進(jìn)展，但用于工程項(xiàng)目還有一些問(wèn)題。北航、南航、西工大、國(guó)防科技大學(xué)、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位都在進(jìn)行MDO的研究。工業(yè)部門(mén)也在逐步接受MDO。iSight。2/5/202341優(yōu)化方法經(jīng)典優(yōu)化方法（間接法、直接法）全局最優(yōu)化方法現(xiàn)代優(yōu)化方法（模擬退火、進(jìn)化算法、禁忌搜索算法）混合優(yōu)化策略多方法協(xié)作優(yōu)化方法（基本概念、若干性質(zhì)、實(shí)例、與混合優(yōu)化策略比較）2/5/2023422/5/2023432/5/202344現(xiàn)代優(yōu)化算法現(xiàn)代優(yōu)化算法包括禁忌搜索(TabooSearch,TS)、模擬退火(SimulatedAnnealing,SA)、進(jìn)化算法(Evolution-aryAlgorithms,EA)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NeuralNet-works,NN)和拉格朗日松弛等算法。這些算法涉及生物進(jìn)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(jì)力學(xué)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：2/5/202345現(xiàn)代優(yōu)化算法與導(dǎo)數(shù)無(wú)關(guān)；直觀的思路；靈活性：對(duì)目標(biāo)函數(shù)的要求少；應(yīng)用廣泛性：對(duì)設(shè)計(jì)空間，變量無(wú)苛刻要求，不要求連續(xù)；隨機(jī)性：確定下一步搜索方向是隨機(jī)的。啟發(fā)式算法又稱(chēng)全局優(yōu)化算法。難以解析：主要基于經(jīng)驗(yàn)研究。2/5/202346導(dǎo)彈多學(xué)科集成設(shè)計(jì)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)與導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)、外形對(duì)導(dǎo)彈性能有重要影響。導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)需要考慮總體、控制、動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、載荷、彈道等諸多學(xué)科。本例在固體推進(jìn)劑戰(zhàn)略導(dǎo)彈/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用多學(xué)科分析方法，在MDO框架下實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈的多學(xué)科集成、設(shè)計(jì)與優(yōu)化。2/5/202347設(shè)計(jì)優(yōu)化模型主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、質(zhì)量、氣動(dòng)和彈道計(jì)算等4個(gè)模塊。在導(dǎo)彈總體參數(shù)和總體方案初步選擇后，可進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和性能計(jì)算，產(chǎn)生的燃燒室外形尺寸用于導(dǎo)彈外形設(shè)計(jì)，噴管外形用于級(jí)間段設(shè)計(jì)，質(zhì)量特性和性能參數(shù)用于彈道計(jì)算。2/5/202348發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)模型發(fā)動(dòng)機(jī)模型包括：熱力計(jì)算、比沖計(jì)算、根據(jù)裝藥量和給定的裝填系數(shù)確定發(fā)動(dòng)機(jī)主要外形尺寸、按照展開(kāi)質(zhì)量模型計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量。輸入?yún)?shù)：各級(jí)導(dǎo)彈直徑、燃燒室壓強(qiáng)、推力、工作時(shí)間、噴管面積比等。輸出參數(shù)：各級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量、推進(jìn)劑質(zhì)量、推力作用點(diǎn)、噴管面積、噴管長(zhǎng)度、燃燒室長(zhǎng)度等。2/5/202349質(zhì)量計(jì)算模型以發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，計(jì)算導(dǎo)彈質(zhì)量和質(zhì)量變化特性。導(dǎo)彈質(zhì)量包括各級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑質(zhì)量、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量、子級(jí)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。在飛行過(guò)程中，導(dǎo)彈質(zhì)量是隨時(shí)間增加而逐漸減小的，因而需要計(jì)算飛行過(guò)程中的質(zhì)量及其質(zhì)量特性參數(shù)變化，以便描述導(dǎo)彈的飛行性能。2/5/202350質(zhì)量計(jì)算模型質(zhì)量模塊還需給出彈體飛行過(guò)程中的質(zhì)心位置參數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)隨飛行時(shí)間和飛行質(zhì)量的變化規(guī)律。主要輸入?yún)?shù)：發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)模塊輸出參數(shù)中的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和推進(jìn)劑質(zhì)量。主要輸出參數(shù)：各級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)起飛質(zhì)量。2/5/202351氣動(dòng)計(jì)算模型計(jì)算內(nèi)容包括：縱向氣動(dòng)特性參數(shù)、橫側(cè)向氣動(dòng)特性參數(shù)、動(dòng)導(dǎo)數(shù)特性，各子級(jí)在給定馬赫數(shù)下的阻力系數(shù)。主要輸入?yún)?shù)：導(dǎo)彈總體參數(shù)中的直徑、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)模型輸出參數(shù)中的燃燒室長(zhǎng)度。主要輸出參數(shù)：導(dǎo)彈各級(jí)特征面積、特征長(zhǎng)度、彈頭