6飞机总体参数优化ppt课件

1、 6.1.1 多学科设计优化的根本概念多学科设计优化的根本概念 飞机总体设计是一个复杂的系统工程，覆盖了多个学科的内容，例飞机总体设计是一个复杂的系统工程，覆盖了多个学科的内容，例如空气动力学、构造学，推进实际，控制论等。如空气动力学、构造学，推进实际，控制论等。 多学科设计优化是一种处理大型复杂工程系统设计过程中耦合与权多学科设计优化是一种处理大型复杂工程系统设计过程中耦合与权衡问题，同时对整个工程进展综合优化设计的有效方法。衡问题，同时对整个工程进展综合优化设计的有效方法。 多学科设计优化技术有以下特点：多学科设计优化技术有以下特点： 1 经过对整个系统的优化设计处理不同窗科间权衡问题，给

2、出经过对整个系统的优化设计处理不同窗科间权衡问题，给出整个系统的最优设计方案，提高设计质量。整个系统的最优设计方案，提高设计质量。 2 经过直接或间接的数值计算方法处理各学科之间的耦合问题，经过直接或间接的数值计算方法处理各学科之间的耦合问题，容易获得各学科之间协调一致的设计，消除了过去依托阅历试凑迭容易获得各学科之间协调一致的设计，消除了过去依托阅历试凑迭代计算处理耦合问题。代计算处理耦合问题。 3 经过系统分解使计算并行化成为能够，经过计算机网络将分经过系统分解使计算并行化成为能够，经过计算机网络将分散在不同地域和设计部门的计算模块和专家组织起来，实现并行设散在不同地域和设计部门的计算模块

3、和专家组织起来，实现并行设计，使系统的综合优化设计变得简单。计，使系统的综合优化设计变得简单。 第六章 飞机总体参数优化 (4) 经过近似技术和可变复杂性模型的分析方法，减少系统分析次数，提高设计优化效率。 (5) 经过系统和各子系统数学模型的模块化以及它们之间有效的通讯及其组织方式，使各学科各计算模块之间数据传输量和所需附加操作尽能够少。6.1.2 协同优化Collaborative Optimization 协同优化将优化设计问题分为两级：一个系统级和并行的多个学科级。 协同优化的系统级优化问题表述如下： 其中：f(z)：系统级目的函数； z：系统级设计变量向量，共有k个，zij表示第j个

4、系统级设计变量，被分配到了第i个学科中； P：系统级设计参数向量，它是学科级优化的设计变量最优解，共有l个，Pij表示第j个设计变量最优解，由第i个学科级优化传来，它是系统级分配给学科级优化的设计变量的函数； J：系统级约束，共有N个； hi：系统级分配到第i个学科级的设计变量个数；协同优化的学科级优化问题表述如下以第i个学科为例： 式中：q：学科级优化目的变量，等于系统级分配下来的系统级设计变量z； x：学科级优化设计变量； ci：学科级优化约束；系统级优化同窗科级优化的关系如下：协同优化算法的框架及各模块间信息通讯如以下图所示。系 统 级优 化Min fsys(z)s.t. Jj(x*,y

5、*,z)=(p(x*)-z)2+(p(y*)-z)2=0学科级 1优化Min J1(x1,y1j,q1)=(x1-q1(z)2+(y1j-q1(z)2s.t. c1(x1,y1j)0学科级 2优化Min J2(x2,y2j,q2)=(x2-q2(z)2+(y2j-q2(z)2s.t. c2(x2,y2j)0学科级 N 优化Min JN(xN,yNj,qN)=(xN-qN(z)2+(yNj-qN(z)2s.t. c1(xN,yNj)0学科1分 析学科2分 析学科N分 析x1y1jc1J1x2y2jc2J2cNJNxNyNjq1(z)p1(x1*,y1j*)q2(z)p2(x2*,y2j*)pN(

6、xN*,yNj*)qN(z)i=1,N6.1.3 6.1.3 并行子空间优化并行子空间优化Concurrent Subspace OptimizationConcurrent Subspace Optimization 并行子空间优化算法将设计优化问题分解为假设干个学科级优化问题并行子空间优化算法将设计优化问题分解为假设干个学科级优化问题和一个系统级优化问题。在学科级子空间优化中，本学科的形状变量和一个系统级优化问题。在学科级子空间优化中，本学科的形状变量计算经过该学科的准确模型来获取，所涉及的其它学科的形状变量计算经计算经过该学科的准确模型来获取，所涉及的其它学科的形状变量计算经过某种近似模

7、型来得到。各学科优化计算相互独立，可并行进展，因此称过某种近似模型来得到。各学科优化计算相互独立，可并行进展，因此称为并行子空间优化算法。近似方法的不同，衍生出不同的为并行子空间优化算法。近似方法的不同，衍生出不同的CSSOCSSO算法，采用算法，采用呼应面近似技术来构造学科间近似关系的呼应面近似技术来构造学科间近似关系的CSSOCSSO算法称为基于呼应面近似的算法称为基于呼应面近似的并行子空间优化算法，其算法框架如以下图所示：并行子空间优化算法，其算法框架如以下图所示： 图中：图中：SASA代表系统分析过程代表系统分析过程System AnalysisSystem Analysis，求解各个

8、学科内部耦，求解各个学科内部耦合方程的过程称为奉献分析合方程的过程称为奉献分析Contributing AnalysisContributing Analysis，简称，简称CACA； SSO SSO代表子空间优化代表子空间优化Subspace OptimizationSubspace Optimization，而，而STOSTO代表系统级优化代表系统级优化System OptimizationSystem Optimization，也就是系统级协调过程。，也就是系统级协调过程。 图示 基于呼应面的并行子空间优化算法框架图 6.1.4 某通用航空飞机总体参数优化略某通用航空飞机总体参数优化略

9、6.2 面向系统设计的方法面向系统设计的方法 6.2.1 现代飞机设计特点现代飞机设计特点 作为设计对象的现代飞机是一个极复杂的工程系统，具有高度作为设计对象的现代飞机是一个极复杂的工程系统，具有高度的层次构造，飞机本身有大量的构件与衔接件，更重要的是保证飞的层次构造，飞机本身有大量的构件与衔接件，更重要的是保证飞机平安飞行和完成义务所需的各种设备，如通讯、导航、显示和飞机平安飞行和完成义务所需的各种设备，如通讯、导航、显示和飞行控制设备等都需采用高新技术，如信息网络、激光、微波等。在行控制设备等都需采用高新技术，如信息网络、激光、微波等。在这些数字的背后是繁杂众多的专业，不仅包括普通机械加工

10、工业的这些数字的背后是繁杂众多的专业，不仅包括普通机械加工工业的几乎一切专业，还有许多航空独有的技术专业。几乎一切专业，还有许多航空独有的技术专业。 飞机设计的义务是确定飞机的规划、构造和其他各组成部分。这些飞机设计的义务是确定飞机的规划、构造和其他各组成部分。这些任务要保证在一定限制内使飞机最有效地满足给定的目的要求。任务要保证在一定限制内使飞机最有效地满足给定的目的要求。 飞机设计是一个复杂的多阶段的过程，同时也是一个反复迭代、逐渐飞机设计是一个复杂的多阶段的过程，同时也是一个反复迭代、逐渐接近给定或最优的过程，这个过程的框图如以下图接近给定或最优的过程，这个过程的框图如以下图6.2.1所

11、示：所示： 图6.2.1 飞机设计过程6.2.2 6.2.2 面向系统设计的方法面向系统设计的方法 面向系统的设计方法是在充分思索影响系统完成义务和到达指定目面向系统的设计方法是在充分思索影响系统完成义务和到达指定目标的一切要素根底上对系统进展研讨。以数学模型为根底，系统设计标的一切要素根底上对系统进展研讨。以数学模型为根底，系统设计的问题可归结为：总的目的函数在多种约束条件下的优化问题。的问题可归结为：总的目的函数在多种约束条件下的优化问题。 在飞机论证设计阶段，数学模型的作用特别大，根本上是采用有效在飞机论证设计阶段，数学模型的作用特别大，根本上是采用有效性模型和经济性模型来描画大量的各个

12、系统和组成部分的功能。飞机性模型和经济性模型来描画大量的各个系统和组成部分的功能。飞机作为整个航空系统中的一员其数学模型可视为参数化的作为整个航空系统中的一员其数学模型可视为参数化的“点模型，此点模型，此时的飞机设计为面向工程的设计。时的飞机设计为面向工程的设计。 在飞机初步设计和详细设计阶段所运用的模型那么不同，应尽量详细和完备地思索影响选择设计方案的各种要素。这时的数学模型可视为参数化的“实体模型，飞机设计为面向产品的设计。根据飞机性能和参数的关系，可将反映其构造和功能的不同方面分组，组成一系列的子模型，主要有： 1几何模型 2分量模型 3气动模型 4动力安装模型 5飞行动力学模型 6飞行

13、操稳与控制模型 (7)强度模型 (8)经济性模型 对于求目的函数极值的优化问题，其数学模型的普通表达式为： minF(X,Y) X,Y Rn s.t. gu(X,Y)=0 u = 1,2,m hv(X,Y)0, v = 1,2,p 式中，F(X,Y) = f1(X,Y),f2(X,Y),fq(X,Y)T，是q维目的向量；X为设计变量；Y为形状变量。6.2.3 面向系统设计的评价准那么与评价方法面向系统设计的评价准那么与评价方法 评价准那么的选择是系统设计任务最主要的组成部分。每当对设计评价准那么的选择是系统设计任务最主要的组成部分。每当对设计方案进展评定或要从假设干方案中选定某一方案时都要有评

14、价准那方案进展评定或要从假设干方案中选定某一方案时都要有评价准那么。不仅飞机性能和参数量值确实定，而且所设计和制造出来的飞么。不仅飞机性能和参数量值确实定，而且所设计和制造出来的飞机的未来开展都要依赖于评价准那么的正确运用。机的未来开展都要依赖于评价准那么的正确运用。 有关飞机设计的通用评价准那么的根本要求简述如下：有关飞机设计的通用评价准那么的根本要求简述如下： 1) 准那么应该是可以度量的值，计算方法应是知的；准那么应该是可以度量的值，计算方法应是知的； 2) 准那么应思索设计对象的根本目的，同时也要思索运用条件和限准那么应思索设计对象的根本目的，同时也要思索运用条件和限制；制； 3) 准那么应包括必需进展评价或优化的参数和性能；准那么应包括必需进展评价或优化的参数和性能； 4) 必需使在不同层次上各设计阶段选择方案的准那么不能有矛必需使在不同层次上各设计阶段选择方案的准那么不能有矛盾；盾； 5) 最好对各设计阶段都是同一个准那么。最好对各设计阶段都是同一个准那么。 从系统工程方法出发，确定相互联络的综合准那么，要在系统计算的每一个层次上都找到最正确参数，并客观地评价设计结果。决策过程必需遵照最优化的原理：假设一切层次的各组成部分和子系统，对应于更高层次的准那么是最优的，那么整个系统最优。以上过程的层次构造如以下图6.