飛行器多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化

飛行器多學(xué)科

設(shè)計優(yōu)化

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

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飛行器多學(xué)科設(shè)計優(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)描述國內(nèi)外MDO研究進(jìn)展（美國、俄羅斯、歐洲、其它國家、國內(nèi)情況）優(yōu)化方法算例：導(dǎo)彈多學(xué)科集成設(shè)計優(yōu)化2/5/202332/5/202342/5/202352/5/202362/5/20237MDO方法的提出飛行器設(shè)計過程通常分為概念設(shè)計、初步設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計三個階段。概念設(shè)計的結(jié)果是給出初步的總體設(shè)計方案。經(jīng)濟(jì)可承受性問題被重視，因而LCC成為衡量設(shè)計方案好壞的標(biāo)準(zhǔn)。下圖是波音公司針對彈道導(dǎo)彈系統(tǒng)的LCC一個統(tǒng)計結(jié)果。2/5/202382/5/20239MDO方法的提出由圖中看出，概念設(shè)計費用只占LCC的1%，做出的決策所決定的費用為70%。人們開始注意提高概念設(shè)計的質(zhì)量，采用的手段就是優(yōu)化技術(shù)。概念設(shè)計的目標(biāo)：最小起飛重量或最大有效載荷，關(guān)鍵學(xué)科為空氣動力學(xué)和推進(jìn)技術(shù)。下圖顯示傳統(tǒng)飛行器設(shè)計的途徑，注意設(shè)計自由度的變化。2/5/2023102/5/202311MDO方法的提出基本上是一種串行設(shè)計模式，不同設(shè)計階段，設(shè)計者選擇不同的學(xué)科重點對飛行器進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化，沒有考慮不同學(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)計方案。存在的問題是，概念設(shè)計階段由于已知信息短缺、強調(diào)重點學(xué)科，不能充分利用該階段的自由度來改善設(shè)計質(zhì)量。2/5/202312MDO方法的提出針對傳統(tǒng)設(shè)計方法的不足，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)計過程、和在自由度和知識方面期望達(dá)到的目標(biāo)見下圖。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)計自由度，概念設(shè)計階段時間增長了一倍，詳細(xì)設(shè)計階段的時間縮短了1/3。概念設(shè)計階段的學(xué)科分配更加合理，在總體設(shè)計階段引入更多的知識來提出更加合理的設(shè)計方案。設(shè)計自由度的實質(zhì)是允許對設(shè)計方案進(jìn)行修改。2/5/202315MDO的系統(tǒng)學(xué)描述先介紹幾個專用術(shù)語。學(xué)科（Discipline）：系統(tǒng)中本身相對獨立、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，有時翻譯成“領(lǐng)域”或“專業(yè)”。設(shè)計變量（DesignVariable）：用于描述工程系統(tǒng)的特征、在設(shè)計過程中可被設(shè)計者控制的一組相互獨立的變量。2/5/2023162/5/202317MDO的系統(tǒng)學(xué)描述設(shè)計變量可分為：系統(tǒng)（System）設(shè)計變量X和局部（Local）設(shè)計變量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)計過程中必須滿足的條件。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)計過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)計變量、其它學(xué)科對該學(xué)科的耦合狀態(tài)變量及系統(tǒng)的參數(shù)為輸入，根據(jù)某一個學(xué)科滿足的物理規(guī)律確定其物理特性的過程。2/5/202319MDO的系統(tǒng)學(xué)描述學(xué)科分析也稱子系統(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）：對于整個系統(tǒng)，給定一組設(shè)計變量，通過求解系統(tǒng)的狀態(tài)方程得到系統(tǒng)狀態(tài)變量的過程。由于耦合效應(yīng)，分析過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（ConsistentDesign）：在系統(tǒng)分析過程中，由設(shè)計變量及其相應(yīng)的滿足系統(tǒng)狀態(tài)方程的系統(tǒng)狀態(tài)變量組成的一個設(shè)計方案?？尚性O(shè)計（FeasibleDesign）：滿足所有設(shè)計要求或設(shè)計約束的一致性設(shè)計。最優(yōu)設(shè)計（OptimalDesign）：使目標(biāo)函數(shù)最小或最大的可行設(shè)計。2/5/2023222/5/202323國內(nèi)外MDO研究進(jìn)展MDO于1980年代發(fā)展起來。奠基人是J.Sobieszczanski-Sobieski，其專長是結(jié)構(gòu)優(yōu)化。1982年他在研究大型結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題求解的一篇論文中，首次提出了MDO的設(shè)想，后來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)域最先開展MDO研究和應(yīng)用。2/5/202324國內(nèi)外MDO研究進(jìn)展1986年，AIAA/NASA/USAF/OAI等4家機(jī)構(gòu)聯(lián)合召開了第一屆“多學(xué)科分析與優(yōu)化”專題研討會，以后每2年一次。1991年，AIAA成立專門的MDO技術(shù)委員會，標(biāo)志著MDO作為一個新的研究領(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)計優(yōu)化分部（MDOB）。2/5/202325國內(nèi)外MDO研究進(jìn)展1996年，Sobieski和Haftka撰寫了“航空航天領(lǐng)域中的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化研究綜述”一文，對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)計研究最新進(jìn)展”一書，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國內(nèi)外MDO研究進(jìn)展MDO在美國大專院校也受到重視。美國在1990年代初把“在多學(xué)科團(tuán)隊中發(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)與加強的能力，從1991年起，佐治亞理工學(xué)院等大學(xué)開始開設(shè)這方面的課程。1998年，“工程系統(tǒng)的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化”列為美國研究生必修課程，目前，已有50多所院校開設(shè)了該課程2/5/202327國內(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)計與優(yōu)化以及F/A-18E/F飛機(jī)的設(shè)計優(yōu)化，洛·馬公司的F-22飛機(jī)結(jié)構(gòu)/氣動一體化設(shè)計和F-16高敏捷“戰(zhàn)隼”的多學(xué)科設(shè)計與優(yōu)化，歐洲區(qū)域運輸機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及以A3XXX為研究對象的工作。2/5/202328國內(nèi)外MDO研究進(jìn)展目前，MDO在國際上形成了研究熱潮，除美國外，歐洲、俄羅斯、日本等國家都在進(jìn)行MDO研究，范圍從航空航天領(lǐng)域擴(kuò)展到汽車、通信、運輸、機(jī)械、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域。包括北航在內(nèi)的我國多個學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和設(shè)計單位在MDO方面的研究也十分積極，并取得了不少進(jìn)展。2/5/202329美國的MDO研究現(xiàn)狀1991年，美國的MDO白皮書明確提出：MDO應(yīng)當(dāng)由政府部門、大學(xué)和工業(yè)界共同推動。政府部門：NASA的MDOB，1994年NASA認(rèn)為：航空航天對MDO的研究和應(yīng)用有廣泛的興趣和支持，新的飛行器設(shè)計要在滿足性能要求前提下盡可能滿足可承受性，成本帶入設(shè)計過程會改變設(shè)計問題的數(shù)學(xué)本質(zhì)。2/5/202330美國的MDO研究現(xiàn)狀MDOB已發(fā)起了10多項大型項目，如X-33噴管研究（1995~1998），高性能計算與通信計劃（HPCCP,1995~2002），在該計劃下的HSCT系統(tǒng)研究，是飛行器設(shè)計的MDO方法研究最深入最持久影響最大的項目。屬于政府機(jī)構(gòu)的另一個部門是AIAA的MDO技術(shù)委員會。2/5/202331美國的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)計實驗室(SSDL)和航空系統(tǒng)設(shè)計實驗室(ASDL)，斯坦福大學(xué)航空航天計算實驗室(ACL)和飛機(jī)氣動與設(shè)計小組(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美國的MDO研究現(xiàn)狀美國許多大型企業(yè)都積極開展MDO運用研究，以提高設(shè)計質(zhì)量、縮短設(shè)計周期、節(jié)省設(shè)計費用。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MDO問題。該算法將基于梯度的非線性規(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)、混合變量等各類優(yōu)化問題。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業(yè)、加工業(yè)、生物工程等各個領(lǐng)域。進(jìn)入商業(yè)化，向國際推廣。俄羅斯對MDO的理解：MDO就是將多級、多準(zhǔn)則與并行優(yōu)化技術(shù)緊密結(jié)合進(jìn)行設(shè)計的手段，下圖就是對這種MDO設(shè)計方法的理解。2/5/2023362/5/2023372/5/202338歐洲MDO研究進(jìn)展1996年，歐盟啟動了“MDO工程”，由空客牽頭，共10余個研究單位參加。其主要目標(biāo)包括：飛行器壽命周期的初步設(shè)計階段的集成問題，并行MDO方法，信息技術(shù)與設(shè)計技術(shù)的進(jìn)一步融合。MOB項目是歐盟正在進(jìn)行的大型分布式MDO項目，主要內(nèi)容為翼身融合體布局的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化。2/5/202339其它國家MDO研究進(jìn)展日本大阪大學(xué)系統(tǒng)設(shè)計工程實驗室(SDEL)，研究方向為利用計算機(jī)支持發(fā)展產(chǎn)品MDO設(shè)計方法。韓國漢陽大學(xué)的靈敏度分析與設(shè)計革新實驗室(SANDI)，主要進(jìn)行靈敏度分析方法、全局優(yōu)化等研究。韓國Konkuk大學(xué)氣動設(shè)計與多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化實驗室(ADMOL)。2/5/202340國內(nèi)MDO研究進(jìn)展國內(nèi)跟蹤MDO和研究MDO的應(yīng)用已經(jīng)有10多年的時間了，取得了一些進(jìn)展，但用于工程項目還有一些問題。北航、南航、西工大、國防科技大學(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)無關(guān)；直觀的思路；靈活性：對目標(biāo)函數(shù)的要求少；應(yīng)用廣泛性：對設(shè)計空間，變量無苛刻要求，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)式算法又稱全局優(yōu)化算法。難以解析：主要基于經(jīng)驗研究。2/5/202346導(dǎo)彈多學(xué)科集成設(shè)計優(yōu)化發(fā)動機(jī)與導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)、外形對導(dǎo)彈性能有重要影響。導(dǎo)彈總體設(shè)計需要考慮總體、控制、動力、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)動機(jī)一體化設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用多學(xué)科分析方法，在MDO框架下實現(xiàn)導(dǎo)彈的多學(xué)科集成、設(shè)計與優(yōu)化。2/5/202347設(shè)計優(yōu)化模型主要包括發(fā)動機(jī)、質(zhì)量、氣動和彈道計算等4個模塊。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)動機(jī)設(shè)計和性能計算，產(chǎn)生的燃燒室外形尺寸用于導(dǎo)彈外形設(shè)計，噴管外形用于級間段設(shè)計，質(zhì)量特性和性能參數(shù)用于彈道計算。2/5/202348發(fā)動機(jī)設(shè)計模型發(fā)動機(jī)模型包括：熱力計算、比沖計算、根據(jù)裝藥量和給定的裝填系數(shù)確定發(fā)動機(jī)主要外形尺寸、按照展開質(zhì)量模型計算發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量。輸入?yún)?shù)：各級導(dǎo)彈直徑、燃燒室壓強、推力、工作時間、噴管面積比等。輸出參數(shù)：各級發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量、推進(jìn)劑質(zhì)量、推力作用點、噴管面積、噴管長度、燃燒室長度等。2/5/202349質(zhì)量計算模型以發(fā)動機(jī)設(shè)計為基礎(chǔ)，計算導(dǎo)彈質(zhì)量和質(zhì)量變化特性。導(dǎo)彈質(zhì)量包括各級發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑質(zhì)量、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量、子級結(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。在飛行過程中，導(dǎo)彈質(zhì)量是隨時間增加而逐漸減小的，因而需要計算飛行過程中的質(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)量計算模型質(zhì)量模塊還需給出彈體飛行過程中的質(zhì)心位置參數(shù)和轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)隨飛行時間和飛行質(zhì)量的變化規(guī)律。主要輸入?yún)?shù)：發(fā)動機(jī)設(shè)計模塊輸出參數(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)：各級發(fā)動機(jī)起飛質(zhì)量。2/5/202351氣動計算模型計算內(nèi)容包括：縱向氣動特性參數(shù)、橫側(cè)向氣動特性參數(shù)、動導(dǎo)數(shù)特性，各子級在給定馬赫數(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)動機(jī)設(shè)計模型輸出參數(shù)中的燃燒室長度。主要輸出參數(shù)：導(dǎo)彈各級特征面積、特征長度、彈頭