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飞行器多学科设计优化 飞机设计研究所 航空科学与工程学院 内容 基本概念 MDO方法的提出 MDO的系统学描述 国内外MDO研究进展（美国、俄罗斯、欧洲、其它国家、国内情况） 优化方法 算例：导弹多学科集成设计优化 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。 经济可承受性问题被重视，因而LCC成为衡量设计方案好坏的标准。 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%，做出的决策所决定的费用为70%。 人们开始注意提高概念设计的质量，采用的手段就是优化技术。 概念设计的目标：最小起飞重量或最大有效载荷，关键学科为空气动力学和推进技术。下图显示传统飞行器设计的途径，注意设计自由度的变化。 MDO方法的提出 基本上是一种串行设计模式，不同设计阶段，设计者选择不同的学科重点对飞行器进行设计和优化，没有考虑不同学科的耦合产生的协同效应，可能得不到系统整体最优的设计方案。 存在的问题是，概念设计阶段由于已知信息短缺、强调重点学科，不能充分利用该阶段的自由度来改善设计质量。 MDO方法的提出 针对传统设计方法的不足，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，考虑各学科的相互影响和耦合作用，使用有效的优化策略和分布式计算机网络系统，利用各学科的系统效应，获得系统整体最优解。 使用MDO方法后的设计过程、和在自由度和知识方面期望达到的目标见下图。 MDO方法的提出 使用MDO方法后，为获得更多信息和使用更大的设计自由度，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。设计自由度的实质是允许对设计方案进行修改。 MDO的系统学描述 先介绍几个专用术语。 学科（Discipline）：系统中本身相对独立、相互之间又有数据交换的基本模块，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）：用于描述工程系统的特征、在设计过程中可被设计者控制的一组相互独立的变量。 MDO的系统学描述 设计变量可分为：系统（System）设计变量X和局部（ Local ）设计变量Xi。 状态变量（State Variable）：用于描述工程系统的性能或特征的一组参数。分系统状态变量y，学科状态变量yi 和耦合状态变量yij。 约束条件（Constraints）：系统在设计过程中必须满足的条件。 MDO的系统学描述 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：用于描述工程系统的特征、在设计过程中保持不变的一组参数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状态变量及系统的参数为输入，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的系统学描述 学科分析也称子系统分析或子空间分析。设学科i的状态方程为： 则学科分析就是求解学科状态方程： MDO的系统学描述 系统分析（System Analysis, SA）：对于整个系统，给定一组设计变量，通过求解系统的状态方程得到系统状态变量的过程。由于耦合效应，分析过程一般需要多次迭代才能完成。 MDO的系统学描述 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状态方程的系统状态变量组成的一个设计方案。 可行设计（Feasible Design）：满足所有设计要求或设计约束的一致性设计。 最优设计（Optimal Design）：使目标函数最小或最大的可行设计。 国内外MDO研究进展 MDO于1980年代发展起来。奠基人是J. Sobieszczanski-Sobieski，其专长是结构优化。1982年他在研究大型结构优化问题求解的一篇论文中，首次提出了MDO的设想，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研究和应用。 国内外MDO研究进展 1986年，AIAA/NASA/USAF/OAI等4家机构联合召开了第一届“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作为一个新的研究领域正式诞生。 1994年，NASA在郎利研究中心正式成立了多学科设计优化分部（ MDOB）。 国内外MDO研究进展 1996年，Sobieski和Haftka撰写了“航空航天领域中的多学科设计优化研究综述”一文，对MDO的发展