飞机概念设计的多学科综合优化技术
张科施!李为吉!李响
"西北工业大学航空学院!陕西西安#$%%#&’
摘要(将均匀设计与二次响应面相结合!发展了一种高效实用的飞机多学科设计的并行子空间优化算法)采用均匀设计给出初始样本点!为近似模型提供有效的精确模型信息!简单实用的二次响应面作为一种在计算量和精确度上达到合理折衷的近似方法为系统级和学科级的优化模型提供状态变量的近似信息)将该方法用于某通用航空飞机的概念设计!考虑气动*重量和性能+个学科!很好地解决了各学科间复杂耦合带来的计算困难!证实了该算法的有效性)
关键词(并行子空间优化!响应面!均匀设计!飞机概念设计
中图分类号(,&&$文献标识码(-文章编号($%%%.&#/0"&%%/’%$.%$%&.%/
飞机概念设计是飞机初步设计阶段确定主要总体参数的设计过程!涉及多个学科"气动*结构*性能等’!包含大量设计变量*状态变量和约束!各个学科之间以及学科内部都存在一定的耦合关系)并行子空间优化算法是解决飞机类大型复杂工程系统优化设计的有效方法!它主要借助学科间耦合状态变量关于设计变量的近似函数关系"响应面’解决系统设计的耦合问题!并通过不断向数据库中添加新的样本点使响应面精确化!最终达到系统优化的收敛)因此!如何为响应面提供好的样本点以及如何构造满足精度要求的响应面是并行子空间优化的关键点)本文将均匀设计与二次响应面相结合!发展了一种高效实用的飞机多学科设计的并行子空间优化算法!以某通用航空飞机概念设计问题为例验证了该方法的有效性)
1并行子空间优化算法及其改进
121并行子空间优化算法
并行子空间优化算法"345678895:;7<=>?69
@>:A B A C?:A45!3;;@’是一种能解决复杂耦合系统设计优化问题的两级多学科设计优化算法D$E!是一种优化设计框架!基本思想是(将系统优化问题划分为系统级和并行的多个学科级优化!这些优化模型具有相同的物理意义!即目标函数和约束条件相同!只是获取信息的途径不同)学科级优化采用各学科自身的精确分析工具获取本学科信息!涉及到其他学科的状态变量信息通过近似模型来获取!各学科独立优化!并行进行!系统级优化中的状态变量信息则完全通过近似分析模型得到)
对于下式所描述的优化问题
B A5F"G’
=2:2H"G’I%
"$’将其划分为J个学科!学科级优化和系统级优化问题分别为
"$’第K个学科的优化问题
学科级设计变量用G
K
表示!本学科状态变量用L K$表示!涉及其他学科的相关状态变量用L K&表示!其优化模型为
B A5F"G K!L K$!L K&’
=2:2H"G K!L K$!L K&’I%
L K$M9N:"G K’L K&M8=B"G K’
"&’式中!9N:"O’表示通过学科K的精确分析模型获取的本学科状态变量信息!8=B"O’表示通过近似模型获取的其他学科的相关状态变量信息)在学科级优化中!各学科可以利用本学科精确的分析软件或方法进行本学科的状态变量分析"如飞机设计的结
&%%/年&月第&+卷第$期
西北工业大学学报
P4785?Q4R S48:T U9=:985V4Q W:96T5A6?Q X5A Y98=A:W
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[收稿日期(&%%\.%+.%0基金项目(国家自然科学基金"$%+##%$/’资助作者简介(张科施"$]#0^’!女!西北工业大学博士生!主要从事飞机总体设计*多学科设计优化的研究)万方数据