飞机总体参数优化课件.ppt

6.1飛機總體參數的多學科設計優化6.1.1多學科設計優化的基本概念飛機總體設計是一個複雜的系統工程，覆蓋了多個學科的內容，例如空氣動力學、結構學，推進理論，控制論等。多學科設計優化是一種解決大型複雜工程系統設計過程中耦合與權衡問題，同時對整個工程進行綜合優化設計的有效方法。多學科設計優化技術有下列特點：（1）通過對整個系統的優化設計解決不同學科間權衡問題，給出整個系統的最優設計方案，提高設計品質。（2）通過直接或間接的數值計算方法解決各學科之間的耦合問題，容易獲得各學科之間協調一致的設計，消除了過去依靠經驗試湊迭代計算解決耦合問題。（3）通過系統分解使計算並行化成為可能，通過電腦網絡將分散在不同地區和設計部門的計算模組和專家組織起來，實現並行設計，使系統的綜合優化設計變得簡單。飛機總體參數優化6.1飛機總體參數的多學科設計優化(4)通過近似技術和可變複雜性模型的分析方法，減少系統分析次數，提高設計優化效率。(5)通過系統和各子系統數學模型的模組化以及它們之間有效的通訊及其組織形式，使各學科各計算模組之間數據傳輸量和所需附加操作盡可能少。6.1.2協同優化（CollaborativeOptimization）協同優化將優化設計問題分為兩級：一個系統級和並行的多個學科級。協同優化的系統級優化問題表述如下：其中：f(z)：系統級目標函數；z：系統級設計變數向量，共有k個，zij表示第j個系統級設計變數，被分配到了第i個學科中；P：系統級設計參數向量，它是學科級優化的設計變數最優解，共有l個，Pij表示第j個設計變數最優解，由第i個學科級優化傳來，它是系統級分配給學科級優化的設計變數的函數；J：系統級約束，共有N個；hi：系統級分配到第i個學科級的設計變數個數；協同優化的學科級優化問題表述如下（以第i個學科為例）：式中：q：學科級優化目標變數，等於系統級分配下來的系統級設計變數z；x：學科級優化設計變數；ci：學科級優化約束；系統級優化同學科級優化的關係如下：6.1飛機總體參數的多學科設計優化6.1飛機總體參數的多學科設計優化協同優化演算法的框架及各模組間資訊通訊如下圖所示。6.1飛機總體參數的多學科設計優化6.1.3並行子空間優化（ConcurrentSubspaceOptimization）並行子空間優化演算法將設計優化問題分解為若干個學科級優化問題和一個系統級優化問題。在學科級（子空間）優化中，本學科的狀態變數計算通過該學科的精確模型來獲取，所涉及的其他學科的狀態變數計算通過某種近似模型來得到。各學科優化計算相互獨立，可並行進行，因此稱為並行子空間優化演算法。近似方法的不同，衍生出不同的CSSO演算法，採用回應面近似技術來構造學科間近似關係的CSSO演算法稱為基於回應面近似的並行子空間優化演算法，其演算法框架如下圖所示：圖中：SA代表系統分析過程（SystemAnalysis），求解各個學科內部耦合方程的過程稱為貢獻分析（ContributingAnalysis，簡稱CA）；SSO代表子空間優化（SubspaceOptimization），而STO代表系統級優化（SystemOptimization），也就是系統級協調過程。圖示基於回應面的並行子空間優化演算法框架圖6.1飛機總體參數的多學科設計優化6.2面向系統設計的方法6.1.4某通用航空飛機總體參數優化（略）6.2面向系統設計的方法6.2.1現代飛機設計特點作為設計對象的現代飛機是一個極複雜的工程系統，具有高度的層次結構，飛機本身有大量的構件與連接件，更重要的是保證飛機安全飛行和完成任務所需的各種設備，如通信、導航、顯示和飛行控制設備等都需採用高新技術，如資訊網絡、鐳射、微波等。在這些數字的背後是繁雜眾多的專業，不僅包括一般機械加工工業的幾乎所有專業，還有許多航空獨有的技術專業。飛機設計的任務是確定飛機的佈局、結構和其他各組成部分。這些工作要保證在一定限度內使飛機最有效地滿足給定的目標要求。飛機設計是一個複雜的多階段的過程，同時也是一個反復迭代、逐漸接近給定或最優的過程，這個過程的框圖如下