关于优秀教学工作评价试点总结ppt课件

1、 飞行器多学科设计优化Multidisciplinary Design Optimization of Flight Vehicles飞机设计研讨所航空科学与工程学院飞机总体设计第十二讲 .内容根本概念优化实例MDO方法的提出MDO的系统学描画国内外MDO研讨进展美国、俄罗斯、欧洲、其它国家、国内情况优化方法及约束条件处置算例：飞机总体多学科设计优化优化实例混料系统设计定的最优化问题原 料成分成本(元/公斤)N1N2N310.060.020.091520.030.040.051230.040.010.038优化实例由表中所列三种原料混合，混合后的成分应满足以下要求：N10.04，N20.02，

2、N30.07问上述三种原料各应占多少，使之既满足成分要求又使本钱最低？原料1应占x1份，原料2应占x2份，原料3应占x3份，那么：x1+x2+x3=1优化实例其约束条件为：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-x20简化上述各式得：2x1-x20 x1+3x21优化实例3x1+x22x10，x20，1-x1-x20而最低本钱为其目的函数，即：f(x) = 15x1+12x2+8(1-x1-x2)= 7x1

3、+4x2+8Min优化实例利用图解法求解，如下图。根据约束条件可找到其可行域为凸集R，它具有三个顶点，即为A,B,C。然后画出目的函数的等高线，例如f(x)=10那条等高线。当目的函数值添加时，这条平行向右挪动。我们要求的是满足约束条件的目的函数的最小值。优化实例直线平行挪动，首先与凸集R的B点相切，B点凸集的顶点之一即为我们所要确定的最优点。从图中可以看出，最优点B点为x1+3x2=1及3x1+x2=2这两条直线的交点，所以解以下联立方程：优化实例x1+3x2=13x1+x2=2求得最优点为：x1=5/8x2=1/8于是 x3=1-x1-x2=2/8目的函数最小值为：f(x)=7x1+4x2

4、+8=12.88 Min优化实例即1、2、3三种原料应按5/8、1/8、2/8的比例混合，混合后既能满足成分要求，又使本钱最低，即12.88元/公斤。从上述例子中可以看到，目的函数和约束条件均为线性函数，称为线性规划。MDO方法的提出飞行器设计过程通常分为概念设计、初步设计和详细设计三个阶段。概念设计的结果是给出初步的总体设计方案。经济可接受性问题被注重，因此LCC成为衡量设计方案好坏的规范。以下图是波音公司针对弹道导弹系统的LCC一个统计结果。MDO方法的提出由图中看出，概念设计费用只占LCC的1%，做出的决策所决议的费用为70%。人们开场留意提高概念设计的质量，采用的手段就是优化技术。概念

5、设计的目的：最小起飞分量或最大有效载荷，关键学科为空气动力学和推进技术。以下图显示传统飞行器设计的途径，留意设计自在度的变化。MDO方法的提出根本上是一种串行设计方式，不同设计阶段，设计者选择不同的学科重点对飞行器进展设计和优化，没有思索不同窗科的耦合产生的协同效应，能够得不到系统整体最优的设计方案。存在的问题是，概念设计阶段由于知信息短缺、强调重点学科，不能充分利用该阶段的自在度来改善设计质量。MDO方法的提出针对传统设计方法的缺乏，MDO就出现了，其主要思想是在飞行器各设计阶段力求学科平衡，思索各学科的相互影响和耦协作用，运用有效的优化战略和分布式计算机网络系统，利用各学科的系统效应，获得

6、系统整体最优解。运用MDO方法后的设计过程、和在自在度和知识方面期望到达的目的见以下图。MDO方法的提出运用MDO方法后，为获得更多信息和运用更大的设计自在度，概念设计阶段时间增长了一倍，详细设计阶段的时间缩短了1/3。概念设计阶段的学科分配更加合理，在总体设计阶段引入更多的知识来提出更加合理的设计方案。设计自在度的本质是允许对设计方案进展修正。MDO的系统学描画先引见几个公用术语。学科Discipline：系统中本身相对独立、相互之间又有数据交换的根本模块，在MDO中学科又叫子系统、子空间，有时翻译成“领域或“专业。设计变量Design Variable：用于描画工程系统的特征、在设计过程中

7、可被设计者控制的一组相互独立的变量。MDO的系统学描画设计变量可分为：系统System设计变量X和部分 Local 设计变量Xi。形状变量State Variable：用于描画工程系统的性能或特征的一组参数。分系统形状变量y，学科形状变量yi 和耦合形状变量yij。约束条件Constraints：系统在设计过程中必需满足的条件。MDO的系统学描画约束条件有等式和不等式之分，分别用h和g表示，也分系统约束和学科约束。系统参数：用于描画工程系统的特征、在设计过程中坚持不变的一组参数p。学科分析Contributing Analysis CA:以该学科设计变量、其它学科对该学科的耦合形状变量及系统的

8、参数为输入，根据某一个学科满足的物理规律确定其物理特性的过程。MDO的系统学描画学科分析也称子系统分析或子空间分析。设学科i的形状方程为： 那么学科分析就是求解学科形状方程：MDO的系统学描画系统分析System Analysis, SA：对于整个系统，给定一组设计变量，经过求解系统的形状方程得到系统形状变量的过程。由于耦合效应，分析过程普通需求多次迭代才干完成。MDO的系统学描画一致性设计Consistent Design：在系统分析过程中，由设计变量及其相应的满足系统形状方程的系统形状变量组成的一个设计方案。可行设计Feasible Design：满足一切设计要求或设计约束的一致性设计。最

9、优设计Optimal Design：使目的函数最小或最大的可行设计。MDO的系统学描画根据以上定义，可将MDO问题用数学方式表示如下：s.t.国内外MDO研讨进展MDO于1980年代开展起来。奠基人是J. Sobieszczanski-Sobieski，其专长是构造优化。1982年他在研讨大型构造优化问题求解的一篇论文中，初次提出了MDO的想象，后来提出基于敏度分析的MDO方法，引起了学术界极大关注。由于飞行器系统日益复杂，航空航天领域最先开展MDO研讨和运用。国内外MDO研讨进展1986年，AIAA/NASA/USAF/OAI等4家机构结合召开了第一届“多学科分析与优化专题研讨会，以后每2年

10、一次。1991年，AIAA成立专门的MDO技术委员会，标志着MDO作为一个新的研讨领域正式诞生。1994年，NASA在郎利研讨中心正式成立了多学科设计优化分部 MDOB。国内外MDO研讨进展1996年，Sobieski和Haftka撰写了“航空航天领域中的多学科设计优化研讨综述一文，对MDO的开展现状进展了回想，为MDO研讨指明了方向。同年，AIAA组织以论文集方式出版了“多学科设计研讨最新进展一书，论述了MDO的概念、根本方法、学科开展、近似概念和运用环境等内容。国内外MDO研讨进展MDO在美国大专院校也遭到注重。美国在1990年代初把“在多学科团队中发扬作用的才干确定为面向21世纪的工科大

11、学毕业生亟待培育与加强的才干，从1991年起，佐治亚理工学院等大学开场开设这方面的课程。1998年，“工程系统的多学科设计优化列为美国研讨生必修课程，目前，已有50多所院校开设了该课程国内外MDO研讨进展MDO在工业界也得到运用，1998年AIAA的MDO技术委员会就MDO在工业中的运用进展了调查，涉及到波音公司的翼身交融飞机、旋翼飞行器的旋翼设计与优化以及F/A-18E/F飞机的设计优化，洛马公司的F-22飞机构造/气动一体化设计和F-16高矫捷“战隼的多学科设计与优化，欧洲区域运输机构造优化以及以A3XXX为研讨对象的任务。国内外MDO研讨进展目前，MDO在国际上构成了研讨热潮，除美国外，

12、欧洲、俄罗斯、日本等国家都在进展MDO研讨，范围从航空航天领域扩展到汽车、通讯、运输、机械、医疗、建筑等领域。包括北航在内的我国多个学术机构和设计单位在MDO方面的研讨也非常积极，并获得了不少进展。美国的MDO研讨现状1991年，美国的MDO白皮书明确提出：MDO该当由政府部门、大学和工业界共同推进。政府部门：NASA的MDOB，1994年NASA以为：航空航天对MDO的研讨和运用有广泛的兴趣和支持，新的飞行器设计要在满足性能要求前提下尽能够满足可接受性，本钱带入设计过程会改动设计问题的数学本质。美国的MDO研讨现状MDOB已发起了10多项大型工程，如X-33喷管研讨19951998，高性能计

13、算与通讯方案HPCCP,19952002，在该方案下的HSCT系统研讨，是飞行器设计的MDO方法研讨最深化最耐久影响最大的工程。属于政府机构的另一个部门是AIAA的MDO技术委员会。美国的MDO研讨现状院校研讨中心有：佐治亚理工学院航天系统设计实验室(SSDL)和航空系统设计实验室(ASDL)，斯坦福大学航空航天计算实验室(ACL)和飞机气动与设计小组(ADG)，弗吉尼亚工学院与州立大学先进飞行器多学科分析与设计中心(MAD) ，佛罗里达大学构造与学科优化小组等等。美国的MDO研讨现状美国许多大型企业都积极开展MDO运用研讨，以提高设计质量、缩短设计周期、节省设计费用。如波音公司、洛克西德马丁

14、公司、通用电气公司等。俄罗斯的MDO研讨现状俄罗斯近年来发表了不少有关MDO的论文，如俄罗斯空间科学研讨院研制的IOSO(Indirect Optimization on the basis of Self-Organization)，可用于求解各类MDO问题。该算法将基于梯度的非线性规划方法与进化式呼应面方法巧妙结合，可求解非光滑、随机、多目的、混合变量等各类优化问题。俄罗斯的MDO研讨现状IOSO最先在俄罗斯航空航天领域得到运用，然后逐渐推行到汽车业、加工业、生物工程等各个领域。进入商业化，向国际推行。俄罗斯对MDO的了解： MDO就是将多级、多准那么与并行优化技术严密结合进展设计的手段，

15、以下图就是对这种MDO设计方法的了解 。欧洲MDO研讨进展1996年，欧盟启动了“MDO工程，由空客牵头，共10余个研讨单位参与。其主要目的包括：飞行器寿命周期的初步设计阶段的集成问题，并行MDO方法，信息技术与设计技术的进一步交融。MOB工程是欧盟正在进展的大型分布式MDO工程，主要内容为翼身交融体规划的多学科设计优化 。其它国家MDO研讨进展日本大阪大学系统设计工程实验室(SDEL)，研讨方向为利用计算机支持开展产品MDO设计方法。韩国汉阳大学的灵敏度分析与设计革新实验室(SANDI)，主要进展灵敏度分析方法、全局优化等研讨。韩国Konkuk大学气动设计与多学科设计优化实验室(ADMOL)

16、。国内MDO研讨进展国内跟踪MDO和研讨MDO的运用曾经有10多年的时间了，获得了一些进展，但用于工程工程还有一些问题。北航、南航、西工大、国防科技大学、西安电子科技大学、大连铁道学院、北京工业大学、中科院的多家研讨所等单位都在进展MDO的研讨。工业部门也在逐渐接受MDO。iSight。优化方法经典优化方法间接法、直接法全局最优化方法现代优化方法模拟退火、进化算法、忌讳搜索算法混合优化战略多方法协作优化方法根本概念、假设干性质、实例、与混合优化战略比较 现代优化算法现代优化算法包括忌讳搜索(Taboo Search,TS)、模拟退火(Simulated Annealing, SA)、进化算法(

17、Evolution-ary Algorithms, EA)、神经网络(Neural Net-works,NN)和拉格朗日松弛等算法。这些算法涉及生物进化、人工智能、数学和物文科学、神经系统和统计力学等概念，都是以一定的直观根底构造的算法，也叫启发式算法，有以下特性：现代优化算法与导数无关；直观的思绪；灵敏性：对目的函数的要求少；运用广泛性：对设计空间，变量无苛刻要求，不要求延续；随机性：确定下一步搜索方向是随机的。启发式算法又称全局优化算法。难以解析：主要基于阅历研讨。飞机总体设计多学科优化飞机总体设计是一个复杂的系统工程，涵盖多个学科的内容，如气动、构造、推进、控制等。对于其中恣意一个学科，

18、可以进展计算分析和优化设计，建立相应的数学模型和计算软件。对飞机总体来说，很难建立一致的分析和优化数学模型，只是学科简单组合。飞机总体设计多学科优化飞机总体设计包含大量设计变量、性能形状变量和约束方程，不同子系统模型之间相互交叉影响，其设计目的对设计变量的要求相互能够存在矛盾。借助MDO，设计人员可以跨越需求分析、方案设计、参数设计、仿真分析之间的鸿沟，在概念设计阶段完成飞机性能优化和效能评价，缩短设计周期。飞机总体设计多学科优化我国飞机设计人员也尝试利用优化技术来改善设计，但实际中效果并不理想，主要有三方面缘由：缺乏有效进展飞机总体优化的建模实际与优化战略；传统的串行设计呵斥各学科的人为分割

19、；各学科不断细化的模型和成果并未在总体设计过程中得到充分利用。飞机总体设计多学科优化进展飞机总体的多学科设计优化，有利于冲破传统设计框架与设计思想的束缚，基于现代信息技术和设计技术，引入数字化设计流程，革新传统设计方式与设计理念。构成集设计、仿真、效能评价一体化的设计体系，从而加快研发速度、提高设计质量和节省寿命周期费用。飞机总体设计模型飞机总体设计任务包括方案设计、总体参数设计、决策和优化。普通首先确定三个飞机主要设计参数：正常起飞分量、发动机海平面静推力、机翼面积；由这三个参数得到对飞机性能有艰苦影响的推重比和翼载荷。对于一个典型的战斗机系统，其各子系统之间的耦合关系如以下图。飞机总体设计

20、模型飞机总体设计中，普通将气动、构造、性能等单独作为一个学科进展分析和计算，分量也作为一个单独的学科进展设计。同时推进、航电、雷达、武器、起落架、机载系统等也可作为单独学科进展思索和设计。下面引见其中四个典型学科。推进学科模型飞机设计与导弹设计不同，普通是选用发动机，不设计发动机，发动机由专门的发动机厂家设计消费。为保证飞机的性能要求进一步优化，可结合飞机的详细情况，开展发动机性能和分量分析，支持选择更适宜的发动机。这里推进学科模型包括：发动机性能模型和发动机分量模型。气动学科模型飞机的升力、阻力特性是性能分析的重要根据。设计方案能不能满足设计要求，主要看飞行性能目的能否满足要求。本例主要利用

21、半阅历的工程估算方法计算气动特性作为气动学科模型。包括：升力特性估算和阻力特性估算两个模块，主要计算升力线斜率、零升阻力系数和诱导升致阻力因子。分量学科模型飞机的分量特性是飞机固有的特性，详细指分量、重心和转动惯量。飞机的分量由大量的各类零件、外购件、规范件和各种任务液体的分量组成。在这里主要计算飞机的正常起飞分量，或设计起飞总重。飞行性能模型在飞机的初期设计阶段，性能分析可用于飞机总体设计参数的选择，并经过性能分析检查所设计方案能否可以到达曾经确定的设计目的。飞机性能目的包括：飞行包线、机动性能、巡航性能、起飞着陆性能和义务剖面等。飞行包线飞行包线给出飞机的飞行高度和速度范围，由飞机的义务使命确定。右边境最大速度限制：思索发动机、构造强度、抖振或颤振、支配性和平安性、气动加热等缘由，取其中最小值。左边境最小速度限制：思索最大配平升力、非指令性俯仰或偏航、抖振或构造振动、发动机推力限制等要素，取最大值。飞行包线最小机动速度：采用1.2倍失速速度作为最小机动速度。上升高度限制：飞机的高度限制通常指升限，有实际升限和适