飞机总体参数优化与设计过程.pptVIP

第六章 飞机总体参数优化;6.1 飞机总体参数的多学科设计优 化 ;多学科设计优化（Multidisciplinary Design Optimization）是一种解决大型复杂工程系统设计过程中耦合与权衡问题，同时对整个工程进行综合优化设计的有效方法。;1 通过对整个系统的优化设计解决不同学科间权衡问题，给出整个系统的最优设计方案，提高设计质量。 2 通过直接或间接的数值计算方法解决各学科之间的耦合问题，容易获得各学科之间协调一致的设计，消除了过去依靠经验试凑迭代计算解决耦合问题。 3 通过系统分解使计算并行化成为可能，通过计算机网络将分散在不同地区和设计部门的计算模块和专家组织起来，实现并行设计，使系统的综合优化设计变得简单。 4 通过近似技术和可变复杂性模型的分析方法，减少系统分析次数，提高设计优化效率。 5通过系统和各子系统数学模型的模块化以及它们之间有效的通讯及其组织形式，使各学科各计算模块之间数据传输量和所需附加操作尽可能少。 ;多学科优化的算法;6.1.2 协同优化（Collaborative Optimization）;;协同优化算法框架图;6.1.3 并行子空间优化（Concurrent Subspace Optimization）;并行子空间优化算法框架图;6.1.4 某通用航空飞机总体参数优化;2.在飞机设计过程中，一般将气动、结构和性能等列为单独的学科进行分析和计算。;3.该设计问题涉及到三个学科：气动分析学科、重量分析学科和性能分析学科。各学科 的信息交流如图6.3 所示：;4. 各学科内部的信息流(如图6.4 所示)：;5. 系统级和学科级的优化模型;气动学科优化模型：;重量学科优化模型：;性能学科优化模型：;6.2 面向系统设计的方法;6.2.1 现代飞机设计特点;飞机设计的任务是确定飞机的布局、结构和其他各组成部分。飞机设计是一个复杂的多阶段的过程，同时也是一个反复迭代、逐渐接近给定或最优的过程，其设计过程框图6.5如下：;飞机设计过程图;此框图的实质是在对各种备选设计方案多次重复分析的基础上实现对新的技术目标的综合。设计过程中的优化有双重作用：保证从所研究的许多方案中作出最优的决策；保证在抉择方案内确定设计参数最有利的组合。;6.2.2 面向系统设计的方法; 数学模型的建立从对设计对象的形式描述开始。在一般的情况下，设计对象靠其模型表达出其概念。为此一开始要找出合适的参数，使其能对模型分析的结果产生实质性的影响。这是设计工作带有创造性的十分重要的阶段。;在飞机论证设计阶段，数学模型的作用特别大，基本上是采用有效性模型和经济性模型来描述大量的各个系统和组成部分的功能。飞机作为整个航空系统中的一员其数学模型可视为参数化的“点”模型，此时的飞机设计为面向工程的设计。 在飞机初步设计和详细设计阶段所使用的模型则不同，应尽量详细和完备地考虑影响选择设计方案的各种因素。这时的数学模型可视为参数化的“实体”模型，飞机设计为面向产品的设计。 ; 根据飞机性能和参数的关系，可将反映其结构和功能的不同方面分组，组成一系列的子模型，主要有： 1） 几何模型，描述飞机参数和其外形及尺寸特性之间的关系。这一模型也称之为统一数模。 2） 重量模型，统一描述飞机几何形状与结构承力系统、飞机构造与设备布置、飞机装载情况与全机及各部件重量之间的关系。;3） 气动模型，描述飞机的几何特性和气动力特性（各种飞行状态下的气动阻力、升力、力矩以及力和力矩系数）之间的关系。 4） 动力装置模型，描述在各种飞行状态下，发动机的尺寸、布置和推力及耗油率之间的关系。 5） 飞行动力学模型，描述飞机的飞行性能和机动性能（速度范围、航程、爬升率、升限、过载等）与飞机的气动力、重量特性和动力装置特性之间的关系。 ;6） 飞行操稳与控制模型，描述飞机的几何特性、重量特性（惯性）、气动力特性与操纵性、稳定性和控制系统之间的关系。 7） 强度模型，描述飞机的气动载荷、重量和几何特性与飞机承力结构的强度特性、应力水平和变形大小之间的关系。现广泛采用的是有限元模型FEM。 8） 经济性模型，表示飞机的技术参数与其设计、生产和使用的费用之间的关系。 ;对于求目标函数极值的优化问题，其数学模型的一般表达式为：;在上述目标函数的最优化过程中，q=1 为单目标优化问题，q1 为多目标优化问题。在多目标优化方法中，由于各目标优化对设计变量的要求往往是互相矛盾的，这就需要进行协调，以便取得一个对于各目标函数都比较好的最佳方案。;6.2.3 面向系统设计的评价准则与评 估方法;有关飞机设计的通