飞机总体设计中多学科分析与优化-引论

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飞机总体设计分析与评估

飞机总体设计分析与评估本文将对飞机总体设计进行分析与评估，以便增进对飞机设计的理解和能力，提高飞机设计的质量。

飞机总体设计考虑的因素众多，要将这些因素协调一致，确保飞机的安全性、可靠性和效率性，是一个复杂而艰巨的任务。

一、概述飞机总体设计是一个综合性的工作。

包括气动特性、结构特性、动力特性、控制特性等多方面因素，需要考虑到现代科技的发展和运用，也要考虑到经济利益的平衡等，才能取得最佳的设计效果。

一般来说，飞机总体设计的目标是要实现飞行的效率性、舒适性、安全性、可靠性、维护性以及经济性等因素的协调。

二、气动特性气动特性是飞机设计中最关键的因素之一。

对于一个成功的设计来说，其空气动力学特性必须满足以下几个要点。

1.飞机的描绘形状需要尽量确认，以改进气动特性。

飞机描绘形状的优化可以改进飞机气动特性，提高飞机的飞行效率和空气动力学稳定性。

2.飞机的机翼布局也是影响飞机气动特性的重要因素。

机翼的主翼面积和展弦比等参数也要充分考虑，以改进飞机的升力和阻力，确定机翼的展布方案和控制面的设置，提高飞机气动效率。

3.飞机的尾部设计也是影响飞机气动特性的一个重要因素。

尾部形状的优化可以改进飞机气动稳定性，降低飞机的纵向动力过大、不稳定、失速等问题。

三、结构特性飞机结构的设计决定了飞机的强度、刚度、稳定性和重量分布等。

飞机在设计上要充分满足飞行速度、载荷、跨度、展弦比等要求，同时要考虑到经济效益。

飞机结构一般包括机身、机翼、机尾、机腹等部分。

1.飞机机身的结构设计主要满足飞行速度和载荷要求，同时要兼顾机身结构的刚度和强度问题。

为了降低飞机重量，飞机机身材质和结构设计方案也需要充分优化。

2.飞机机翼在结构设计时需要充分考虑机翼的强度、刚度和稳定性，以保障飞机的飞行安全。

同时还需要兼顾飞机的飞行效率，优化机翼结构设计，降低飞机重量。

3.飞机机尾和机腹在结构设计时，需要考虑到安全和负荷分担的问题。

这两个部件在平衡整个飞机结构方面起着重要作用，因此需要充分考虑飞机的稳定性、刚度和安全相关因素。

飞机总体设计PPT课件

经济性能设计
燃油经济性
在保证飞行性能的前提下，通过优化飞机气动外形、减轻结构重量、提高发动机效率等措施，降低飞机的燃油消耗率。
维护经济性
通过采用先进的维护理念和技术手段，降低飞机的维护成本和停场时间，提高飞机的出勤率和利用率。
直接运营成本
包括燃油费、维护费、机组人员工资等直接与飞机运营相关的成本。设计中需要考虑如何降低这些成本以提高飞机的经济性能。
采用遗传算法、模拟退火等启发式算法，处理飞机设计中的复杂问题，寻求全局最优解。
利用代理模型对飞机性能进行快速评估，减少计算量，提高优化效率。
多学科优化方法探讨
多学科设计优化（MDO）
综合考虑气动、结构、控制等多学科因素，实现飞机总体设计的协同优化。
分解协调方法
将复杂问题分解为若干子问题，分别进行优化后再进行协调，降低问题求解难度。
06
确保飞机满足适航法规和标准的要求，包括噪声、排放等环保指标。
02
飞机总体布局设计
布局形式的选择与特点
常规布局
水平尾翼和垂直尾翼都放在机翼后面的飞机尾
部。
鸭式布局
水平尾翼位于机翼的前面，具有较好的大迎角
特性。
无尾布局
没有水平尾翼，靠机翼后缘襟翼或扰流片等部
件实现俯仰操纵。
三翼面布局
在常规布局上增加一对鸭翼。
垂直尾翼
主要功能是保持飞机的方向平衡和操纵飞机的方向运动。
V型尾翼
由左右两个倾斜的垂直尾翼组成，像是固定在机身尾部带大上反角的平尾。
起落架布局设计
前三点式起落架
自行车式起落架
两个主轮对称地布置在飞机重心之后，前轮位于机身前部。

飞行器设计中的多目标优化

飞行器设计中的多目标优化在现代航空航天领域，飞行器设计是一项极其复杂且充满挑战的任务。

随着科技的不断进步和应用需求的日益多样化，仅仅追求单一性能指标的优化已经无法满足实际需求。

多目标优化在飞行器设计中的应用变得至关重要，它能够综合考虑多个相互冲突的目标，从而设计出更加高效、可靠和实用的飞行器。

多目标优化在飞行器设计中的意义非凡。

飞行器的性能涉及多个方面，比如飞行速度、航程、燃油效率、载重能力、稳定性、操控性以及制造成本等。

这些目标之间往往存在着相互制约的关系。

例如，为了提高飞行速度，可能需要增加发动机功率，但这又可能导致燃油消耗增加和成本上升；为了增加载重能力，可能需要增大飞行器的结构尺寸，但这又可能影响其空气动力学性能和飞行操控性。

因此，在设计过程中，需要同时权衡这些目标，找到一个最优的平衡点。

在多目标优化中，首先要明确各个目标的具体要求和限制条件。

比如，对于商用客机，重点可能在于提高燃油效率以降低运营成本，同时保证足够的载客量和飞行舒适性；对于军用战斗机，高速、高机动性和隐身性能可能是首要考虑的目标；而对于货运飞机，载重能力和航程则可能是关键因素。

这些不同的目标和限制条件构成了一个复杂的多目标优化问题。

接下来，需要选择合适的优化算法和工具。

常见的多目标优化算法包括遗传算法、粒子群优化算法、模拟退火算法等。

这些算法能够在多个目标之间进行搜索和平衡，找到一组非劣解（Pareto 最优解）。

例如，遗传算法通过模拟生物进化的过程，对设计变量进行编码、交叉和变异操作，从而逐步优化目标函数；粒子群优化算法则通过模拟鸟群的觅食行为，寻找最优解。

同时，还需要借助计算机辅助设计（CAD）和计算流体力学（CFD）等工具，对飞行器的外形和内部结构进行建模和分析，以准确评估不同设计方案的性能。

在实际的飞行器设计中，多目标优化的应用案例众多。

以飞机机翼的设计为例，机翼的形状和尺寸直接影响飞机的升力、阻力和燃油效率等性能。

multidisciplinary

飞机设计的多学科优化方法研究1.学科分析方法和优化模型的建立一般遵循以下几个原则:(l)对多学科优化来说，采用不同复杂度的分析方法求解同一设计对象，进行精度与计算代价的折衷是非常重要的。

(2)多学科优化中所采用的分析模型通常比单学科优化的更简单、精确度更低。

(3)在同一学科采用不同精度的分析模型，如对本学科采用精确分析模型，所需的其他学科的状态变量信息则通过简单分析模型求得。

(4)尽量减小学科间的数据传输量。

如对气动/结构的综合设计，将分布力和分布变形用少量机翼平面上所定义的基准函数来代替，学科间只需传输这些函数的系数，而不需要传递大量分布力和分布变形的离散数据。

2.设计问题的分解方法优化模型建立后，分析设计问题的学科组成及学科间的关系是进行多学科设计优化的前提:层次型分解、非层次型分解、混合型分解3.多学科近似技术多学科设计优化中除了局部近似还常用到全局近似，即在整个设计空间对设计对象进行近似，主要包括二次响应面、Kriging模型和神经网络等非线性近似技术。

此外，采用非线性近似技术(特别是二次响应面这种拟合函数)还具有光滑数值噪声的作用4.多学科设计优化算法优化算法属于优化理论的研究领域，而多学科设计优化算法则是从设计问题本身入手，从设计计算结构、信息组织的角度来研究问题，是在具体寻优算法的基础上提出一套设计计算框架，该计算框架将设计问题各学科的知识与这些具体的寻优算法结合起来形成一套有效的解决复杂对象的优化求解方法。

目前多学科设计优化算法的一个发展方向是各学科先并行优化然后再进行系统级优化，即所谓的学科级优化与系统级协调的问题。

各学科建立何种形式的优化模型，学科级与系统级之间的信息传递，以及如何进行系统级协调是多学科设计优化算法研究的重点。

多学科设计优化研究中主要从减少系统分析次数和将系统分析过程与优化迭代过程相分离两方面来降低优化设计的计算量和难度。

5.多学科设计优化方法概述多学科设计优化算法可按是否分级分为单级优化算法和分级优化算法。

航空航天领域的多学科交叉研究

航空航天领域的多学科交叉研究当我们仰望星空，畅想宇宙的奥秘时，航空航天领域的成就无疑是人类智慧的璀璨结晶。

然而，这些令人惊叹的成果并非来自单一学科的努力，而是众多学科相互交叉、融合的结果。

航空航天领域的多学科交叉研究是一个极其复杂而又充满魅力的领域。

从物理学、化学到数学、计算机科学，从材料科学到工程学，从生物学到人文学科，众多学科的知识和技术在这里汇聚，共同推动着航空航天事业的不断前进。

物理学在航空航天领域中起着基础性的作用。

牛顿的万有引力定律为我们理解天体的运动提供了理论基础；热力学定律帮助我们设计高效的航空发动机；相对论则在卫星导航和宇宙航行中发挥着关键作用。

力学原理更是贯穿于飞行器的设计、制造和飞行过程的每一个环节。

例如，空气动力学的研究对于优化飞行器的外形，减少阻力，提高飞行效率至关重要。

通过风洞实验和数值模拟，科学家们能够深入了解气流在飞行器表面的流动规律，从而为设计出更加先进的飞行器提供依据。

化学学科在航空航天领域也有着不可或缺的地位。

燃料的研发和燃烧过程的优化是化学研究的重要方向之一。

高性能的燃料不仅能够提供强大的动力，还需要具备高稳定性、低污染等特性。

同时，材料的化学组成和性能也是航空航天领域关注的焦点。

例如，高强度、耐高温的复合材料的研发，使得飞行器能够承受极端的环境条件，如高温、高压和强烈的辐射。

数学在航空航天领域的作用同样不可小觑。

从飞行器的轨道计算到控制系统的设计，从数据分析到模型建立，数学方法无处不在。

微积分、线性代数、概率论等数学工具为解决航空航天中的各种问题提供了精确的理论支持。

例如，通过建立数学模型，我们可以预测飞行器在不同条件下的性能和行为，为飞行试验和实际应用提供重要的参考。

计算机科学的飞速发展为航空航天领域带来了革命性的变化。

高性能计算技术使得对复杂的航空航天系统进行大规模数值模拟成为可能。

通过计算机模拟，我们可以在实际制造和飞行之前，对飞行器的性能进行评估和优化，大大缩短了研发周期，降低了成本。

多学科结构优化

典型的飞行器多组件结构系统布置
拓扑优化过程
设计中往往组件位置已提前指定，结构设计完全依赖于组件的预设位置而进行布局。该项目首先建立了拓扑优化设计域模型，并且留出了设备组件安装所需要的空间，将设计域离散为有限个实体单元，设定工况并优化求解，最终得到的满足质量和自振频率的拓扑优化构型如图(b)所示。安装上多个功能性设备组件的效果图如图(c) 所示。可以看到，该卫星连接结构不仅通过底部与火箭相连接，同时还延伸连接到卫星顶部的挂钩上，并且将多个功能性的组件紧密地连接在一起，实现了预定的设计要求。
机翼初试方案机翼气动/结构参数化定义确定全局设计变量用实验设计确定样本点
参数化外形CAD模型和结构布置CAD模型
气动文件，DV
加入新的样本点
结构文件，DV
分布气动力
气动优化目标：阻力最小约束：气动约束变量：DV1
结构优化目标：重量最小约束：结构约束变量：DV2
结构节点形变
在对结构进行拓扑优化后，有必要对结构局部尺寸和外形进行详细设计，以满足最终工程应用要求。
参考文献：
[1]胡添元，余雄庆，多学科设计优化在非常规布局飞机总体设计中的应用 [J]. 航空学报，2011,32(1),117-127； [2]余雄庆,飞机总体多学科设计优化的现状与发展方向,南京航空航天大学报 [J],2008,40(4),417-426； [3]朱继宏,高欢欢,张卫红,周莹,航天器整体式多组件结构拓扑优化设计与应用[J],航空制造技术,2014(14),25-29；
[4]胡婕,王如华,王稳江, 余雄庆,客机机翼气动/结构多学科优化方法,南京航空航天大学报[J],2012,44(4),458-463.等

飞机总体多学科设计优化的现状与发展方向

化和自动化。
关键词：行器设计；多学科设计优化；化飞优中图分类号：２Ｖ２１文献标识码：Ａ文章编号：０５２１（０８０ — ４７１１０ —６５２０）４０１－０
ＭｕｔｄｓｉｉｒｓｇｐｔｍｉａｉｎｆｒＡｉｃａｔＣｏｅｔａｌｉｉｃｐｌｎａｙＤｅｉｎＯｉｚｔｏｏｒｒｆｎｃｐｕｌ
ＮａｊｇＵｎｖｒｉｆＡｅｏａｔｃｎｉｉｅｓｔｏｒｎｕｉｓ＆Ａｓｒｎｕｉｓｎｙｔｏａｔｃ，Ｎａｊｇ，２０１，Ｃｈｎ）ｎｉｎ１０６ｉａ
ＡｂｔａｔＴｈｔｔ — ｆｔｅａｔｉｈｕｔｄｓｉｌａｙｄｓｇｐｉｉａｉｎ（ＤＯ）ｆｒａｒｒｆｃｎｅｔａｓｒｃ：ｅｓａｅｏ — ｈ — ｒｎｔｅｍｌｉｉｃｐｉｒｅｉｎｏｔｚｔｎｍｏＭｏｉａｔｏｃｐｕｌｃ
ａｄｐｒｌｉｒｅｉｓｒｖｅｄ．ＴｈｉａｒｐｒｖｉｓａｂｓｓｆｒｏｎｕｎｒｔｎｎＤＯ，ｆｒｈｅｎｅｉｎａｙｄｓｇｎｉｅｉｗｅｍｓｐｐｅｏｄｅａｉｏｎｅｉｄｅｓａｄｉｇＭｕｔｒｒｓａｃｎｄａｅｅｒｈａｐｐｌａｉｎｓｏｆＭＤＯｏａｒｒｆｏｅｕｌａｄｐｅｉｎａｙｄｅｉｎ．ＴｈｅｄｉｆｒｎｅｅｗｅｎｉｔｏｃｔｉｃａｔｃｎｃｐｔａｎｒｌｍｉｒｓｇｆｅｅｃｓｂｔｅＭＤＯａｄｒｄｉｉａｏｉｉａｔｏｎｅｈｎｑｓｎａｒｒｆｄｅｉｒｐｅｅｅｎｔａｔｏｎｌｐｔｍｚｉｔｃｉｕｅｉｉｃａｔｓｇｎａｅｒｓｎｔｄ．ＴｈｅｏｃｍｍｏｎｉｓｅｎｓｕｓｉＭＤＯａｅｒｖｅｄ，ｉｌｄｉｕｒｇｔｍｏｌｒｅｉｗｅｎｃｕｎｇｓｒｏａｅｄｅｓ，ｓｎｉｉｉｙｏｏｌｄｓｓｅｓ，ＭＤＯｍｅｈｏｓ，ａｄｅｓｔｖｔｆｃｕｐｅｙｔｍｔｄｎ

飞机总体设计-10第十讲-飞机性能综合分析与评估

燃油消耗率等参数。
气动模型
描述空气流过机翼产生的升力与阻力，包括机翼形状、气流
速度、升阻比等参数。
结构重量模型
描述飞机结构重量与设计方案之间的关系，包括材料属性、结构形式、重量分布等参数。
性能分析的计算机模拟
计算流体动力学（CFD）利用计算机模拟空气流过机翼和机身的流动状态，预测升力和阻力。
04
飞机性能综合评估实践
飞机性能评估案例分析
案例一
波音737飞机起飞性能评估
案例三
C919飞机经济性评估
案例二
空客A350飞机爬升性能评估
案例四
ARJ21飞机安全性能评估
飞机性能改进方案探讨
方案一
优化机翼设计，提高升力系数
方案二
减轻机身重量，降低油耗
方案三
改进发动机性能，提高推力
方案四
优化气动布局，降低阻力
例如，美国联邦航空局（FAA）和欧洲航空安全局（EASA）分别制定了适用于美国和欧洲的航空标准和规范。
行业规范与指南
航空工业协会和其他行业组织发布了一系列行业规范和指南，旨在促进航空工业的健康发展，提高飞机设计和运营水平。
这些规范和指南涉及飞机设计、制造、运营、维护等各个环节，为航空工业提供全面的指导和支持。
环境条件
如大气温度、气压、风速和风向等环境因素也会影响飞机性
能。
02
飞机性能分析方法
性能分析的基本流程
数据收集
收集与飞机性能相关的数据，如气动参数、结构重量、发动机性能等。
模拟分析
利用建立的模型进行计算机模拟分析，预测飞机在不同条件下的性能表现。
确定分析目标
明确飞机性能分析的目的和要求，如提高飞行效率、降低油耗等。

考虑气动-结构的高空螺旋桨多学科优化方法

考虑气动-结构的高空螺旋桨多学科优化方法1 概述高空螺旋桨是一种重要的飞行器部件，用于飞机在高空巡航时提供推进力。

为了保证高空螺旋桨的安全性能和推进效率，需要进行气动-结构的多学科优化设计。

本文将对高空螺旋桨多学科优化方法进行探讨和分析。

2 气动-结构多学科优化的意义随着飞机技术的不断进步，高空螺旋桨的气动和结构特性对飞机的总体性能越来越重要。

从气动角度来说，高空螺旋桨需要具有较高的推进效率和稳定性能。

而从结构角度来说，高空螺旋桨需要具有足够的强度和刚度以承受高速飞行过程中的复杂载荷。

因此，实现高空螺旋桨的气动-结构多学科优化设计，能够在保证高空螺旋桨安全的前提下，提高飞机整体性能和效益。

3 气动-结构多学科优化的方法在进行高空螺旋桨气动-结构多学科优化设计时，需要考虑以下几个方面：3.1 基于CFD的气动特性分析采用计算流体力学（CFD）方法，对高空螺旋桨进行气动特性分析。

通过分析获得高空螺旋桨在不同飞行状态下的气动性能参数，如推力、扭矩、升力系数、阻力系数等。

在气动特性分析中，需要考虑高空飞行过程中较高的马赫数和迎角，以保证模拟结果的准确性。

3.2 结构特性分析基于有限元分析（FEA）方法，对高空螺旋桨进行结构特性分析。

通过建立高空螺旋桨的有限元模型，获得高空螺旋桨在不同工作状态下的应力、应变等结构特性参数。

结构特性分析需要考虑高空飞行对高空螺旋桨的冲击载荷，以保证模拟结果的准确性。

3.3 多学科优化将气动特性分析和结构特性分析的结果进行集成，并引入多学科优化（MDO）算法进行联合优化。

在MDO算法中，将气动-结构特性作为目标函数进行优化，在保证高空螺旋桨处于安全状态的前提下，最大化高空螺旋桨的推进效率和整体性能。

3.4 效果验证在进行多学科优化之后，需要对优化结果进行验证。

采用CFD和FEA模拟方法，对优化后的高空螺旋桨进行气动和结构特性分析，比较其与未优化前的高空螺旋桨的异同。

在验证中，需要重点关注高空螺旋桨的推进效率和安全性能。

第8章飞行器多学科设计优化技术

第8章飞行器多学科设计优化技术飞行器多学科设计优化技术（MDODT）是一种以飞行器设计为核心的综合应用学科，它从多个学科的角度出发，综合运用数学方法、计算机技术等各种手段，对飞行器的不同部件和系统进行全面综合优化，以获得最优设计方案。

本文将介绍飞行器多学科设计优化技术的相关概念、方法和应用领域。

首先，飞行器多学科设计优化技术是一种综合应用学科，它综合了航空、力学、材料、控制等多个学科的理论和方法，通过建立数学模型和使用计算机仿真技术，对飞行器的各个部件和系统进行综合优化。

这种综合应用学科的出现，主要是由于飞行器设计的复杂性和不确定性，传统的单学科设计方法无法满足多种需求和约束条件的综合优化。

因此，MDODT通过将不同学科的知识和方法进行整合，可以综合考虑多种需求和约束条件，提供更优的设计方案。

其次，MDODT主要应用的方法包括数学建模、计算机仿真、优化算法等。

数学建模是MDODT的基础，通过建立飞行器各个部件和系统的数学模型，将设计问题转化为数学问题。

计算机仿真是MDODT的关键技术之一，通过运用计算机软件对数学模型进行仿真计算，能够有效地评估不同设计方案的性能，并进行优化分析。

优化算法是MDODT的核心方法，它能够在设计空间中最优解，通过迭代优化的方式，不断改进设计方案。

最后，MDODT的应用领域非常广泛。

首先，它可以应用于飞行器的整体设计优化。

例如，针对民用客机，可以通过MDODT来优化机翼形状、发动机布置、机身结构等，以提高飞机的性能和经济性。

其次，MDODT也可以应用于飞行器的部件和系统的设计优化。

例如，对于航空发动机，可以通过MDODT来优化喷气口形状、燃烧室结构等，以提高发动机的燃烧效率和推力。

此外，MDODT还可以应用于飞行器的控制系统、传感器系统、导航系统等的设计优化，以提升飞行器的自动化程度和飞行安全性。

综上所述，飞行器多学科设计优化技术是一种综合应用学科，通过综合运用数学建模、计算机仿真、优化算法等方法，对飞行器的不同部件和系统进行综合优化。

多学科结构优化讲解ppt课件

机翼升阻比和质量的最优解集
经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用
案例二：航天器多组件结构系统设计
以航天器多组件结构系统设计为例，介绍了近年来拓扑优化技术在航天器多组件结构系统设计中的工程应用情况
气动文件，DV
结构文件，DV
结
加入
气动优化
分布
结构优化
新目标：阻力最小气动力目标：重量最小
的约束：气动约束
样本
变量：DV1
约束：结构约束变量：DV2
构节点形变
点
静气动弹性分析
不收敛
获取总体性能参数构造代理模型
检验代理模型精度
收敛
系统级优化
经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用
CATIA二次开发自动生成的气动网格模型。
机翼结构有限元模型。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用
（3）气动与结构的耦合关系分析
气动载荷分布
结构重量
气动力
结构弹性变形
（5）客机机翼气动／结构多学科优化算例
设计目标：①升阻比尽量大②重量尽量小。设计约束：①满足升力系数要求；②满足强度、刚度要求；③油箱体积
要求。设计变量：①外形参数；②结构参数。
结果评价基于气动/结构的MDO设计方法得出的最优解集有助于设计人员进行机翼气动效率与重量之间的权衡分析，确定出最合理的机翼总体参数。

《飞机总体设计》电子教案2009最新版-南航-余雄庆-620页-单个PDF

参考教材
1.
L. R. Jenkinson, P. Simpkin, D. Rhodes, Civil Jet Aircraft Design, AIAA Inc, 1999
2.
D.P. Raymer, Aircraft Design: A Conceptual Approach, AIAA Education Series. 1992.
方法与手段
• 统计数据 • 经验公式 • 工程估算公式 • 参数敏感分析 • 地毯图 • 总体分析软件 • 总体参数优化软件
输出
• 初步方案的三面图 • 可行性论证报告 • 详细技术要求与目标
初步设计
输入
• 概念设计结果 • 初始方案的外形CAD模型
目标
• 细化、优化概念设计方案 • 确信方案能达到设计要求，冻结总体外形。
10. 李为吉主编，现代飞机总体综合设计，西北工业大学出版社，2001年。
11. 谢·米·叶格尔[俄]等著，杨景佐、胡传泰等译，《飞机设计》，航空工业出版社，1986年。
12. Nicolai著，赵先宁译，《飞机设计基本原理》，台湾，徐氏基金会，1975年.
飞机设计依据
飞机设计依据
• 飞机设计的基本要求 • 飞机设计规范和适航性条例 • 评价飞机设计方案准则
关于性能指标
• 航程
– 航程对飞机重量的确定有很大影响 – 列出覆盖机场的距离，在此基础上确定航程。
工作内容
• 细化和优化几何外形 - 气动设计、分析与优化
• 总体结构布置 - 结构分析与优化
• 多学科分析与优化 • 完整三面图和外形数模 • 飞机总体布置图
方法与手段
输出
• CAD软件（CATIA）

多学科设计优化技术

２０１０年６月・ｗｗｗ．ｍｉｅｃｈｉｎａ．ｃｏｍ・53数字工厂／研发actoryFigitalD 现代产品设计是一个复杂的系统工程，需要考虑多个学科、多个系统的综合性能指标，涉及到一定设计约束条件下的多个设计、目标参数的综合权衡。

以飞机总体设计为例，需要考虑气动—结构—隐身—飞控等学科的众多设计因素，如何综合应用各学科（系统）的专业工具，获得整体最佳设计。

在产品设计过程必须考虑性能、可靠性、成本、时间周期，需要在四者之间找到最佳的平衡方案。

在传统的设计优化中通过单一学科设计及优化，再将所有单学科设计结果简单整合的成果作为最终设计。

人为的将影响产品安全性、结构、经济性、制造等因素割裂开来，并没有充分利用到各个学科（系统）之间相互影响所产生的协同效应，极有可能失去系统的整体最优设计。

此外，传统的设计模式属于串行设计模式，不能充分利用日益提高的计算机硬件和网络资源。

传统设计方式面临的挑战主要有几点意见：方案设计、总体设计阶段主要依靠经验公式和估算模型，设计精度较低；人为割裂相关系统之间的耦合关系，很难获得综合优化方案；串行设计流程，增长设计周期，增加设计成本。

基于传统设计方式的种种问题，需要采用多学科设计优化（ＭＤＯ）技术，集成各专业学科独立的高精度设计仿真工具，建立软件间的数据传递规则，实现跨学科跨系统的协同，建立自动化、多学科设计优化技术■　安世亚太　平台业务部区域经理　吴贻君的设计需求提出，ＡＩＡＡ＼ＮＡＳＡ等多家机构每两年组织并联合召开一次ＭＤＯ技术研讨会，在多学科设计优化（ＭＤＯ）发展上有不可磨灭的作用。

ＮＡＳＡ　Ｌａｎｇｌｅｙ中心通过多年研究，逐渐形成了多学科设计优化的标准定义：“Ｍｕｌｔｉｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｏｐｔｉｍｉｚａ－ｔｉｏｎ　（ＭＤＯ）　ｉｓ　ａ　ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅ－ｓｉｇｎ　ｏｆ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄｓｕｂｓｙｓｔｅｍｓ　ｔｈａｔ　ｃｏｈｅｒｅｎｔｌｙ　ｅｘｐｌｏｉｔｓ　ｔｈｅｓｙｎｅｒｇｉｓｍ　ｏｆ　ｍｕｔｕａｌｌｙ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｎｇｐｈｅｎｏｍｅｎａ．”多学科设计优化是一种方法学，充分探索和利用系统中相互作用的协同机制，设计复杂的工程系统和子系统。

多学科设计优化(MDO

系统评估
f g
MDO问题的表述:例子
最小化： f x2 x3 y1 e
2 ( y2 )
设计变量：约束：
1
x1, x2, x3
1
y1, y2 ：状态变量耦合变量
g ( y / 8) 1 0 g 10 ( y / 10) 0
2 2
学科1分析
y x 2 x x 0.2 y
• 研究的问题：
– 如何将复杂的多学科设计优化问题分解为若干较为简单的各学科（或各子系统）设计优化问题？
– 如何协调各学科的设计进程？
– 如何综合各学科的设计结果？ – 如何更快地获得设计最优解？
对MDO策略（方法/算法）的要求
• 多学科分析的计算次数应尽可能地少； • 较好的全局最优解搜索能力；
• 特征
–涉及多门学科 –由多个子系统组成
• 分类
–层次系统（Hierarchic System） –非层次系统（Non-hierarchic System）
复杂工程系统的分类
层次系统
系统1 子系统2 子系统3 系统B 系统A
非层次系统
（藕合系统）
子系统4
子系统5
子系统6
系统C
MDO问题的表述
Find： x
– 英文名： Bi-Level Integrated System Synthesis ，简称BLISS – 流程图及特点
并行子空间优化算法1：设计数据库驱动的CSSO
初始值结束系统 A C 设计数据库系统敏感分析子系统偏导数计算 A B GSE C A B C 子空间并行优化
基于各学科平行设计优化的MDO方法 —多级优化方法

飞行器多学科设计优化理论的实际应用

飞行器多学科设计优化理论的实际应用作者：都本海来源：《中国科技博览》2016年第16期[摘要]随着人们对飞行器研究增多、加深，飞行器的设计技术逐渐得到重视。

在飞行器的设计研究中，关于多学科设计优化理论的应用研究很多，并且成为研究的热点。

在多学科的设计优化理论的指导下进行飞行器设计，提高飞行器设计的水平，提高理论应用的实用性。

文章主要介绍多学科设计优化理论的基本内容，总结出飞行器设计过程中，多学科设计优化理论的实际应用方法。

[关键词]飞行器；多学科设计优化理论；实际应用中图分类号：V474 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）16-0379-01前言：信息社会的快速发展，科学技术更新换代的时间逐渐缩短，中国近些年来，不断创新科学研究成果，在科学研究上取得很大的进步，尤其是在国际航空领域上，硕果累累。

在进行科学技术时的研发的过程中，航空领域是重要的科学研究领域，其中有很多关于飞行器的研究。

随着人们对飞行器的认识的加深，对飞行器的设计比较关注。

飞行器的设计包括多学科的内容，在设计的过程中，要考虑多学科知识的应用，进行专业分工，协调、统一的进行设计。

在飞行器设计的过程中，要从多方面考虑多学科设计优化理论，提高理论的实际应用水平，提高飞行器设计的水平。

一、多学科设计优化理论概述1、多学科设计优化理论多学科设计优化又叫做“MOD”，这一理论是在20世纪九十年代提出、发展的，是当前进行国际航空飞行器研究的主要的设计指导理论，并且不断的向前发展。

这一理论是由Sobieski 提出的，将这一理论系统分为分层系统”、“非分层系统”、“混合分层系统”，目前这种分层关系仍然在使用。

MOD的定义可以通过具体的式子进行表示：对这一式子进行解释，等号左边的代表设计总效益，等号右边分别代表单学科效益之和、效益增加量。

2、多学科设计优化的研究内容MOD主要研究三方面的内容：面向设计的多学科分析设计软件的集成和分布式的计算支持环境。

多学科设计优化技术

串行设计流程．增长设计周期，增
加设计成本。基于传统设计方式的种种问题，需
品研制提供保障。
多学科设计优化（Ｄ）技术ＭＯ
多学科设计优化（ＭＤＯ）作为面向
所有行业的一个通用技术研究领域．于上世纪８年代形成。初由美国航空航０最
为最终设计。人为的将影响产品安全性、结构、经济性、制造等因素割裂开
ａＣＳ算法）ＳＯ
（）ＯｂＣ算法
图２多学科优化策略示例
氯
ｐｎｈｅｏｍｅ．ｎａ
Ｊ
ｓｂｓｔｍｓｔｔｃｏｒｎｌｐｌｔｈｅｕｙｓｅｈａｈｅｅｔｙｅｘｏｉｓｔｓｙｎｅｒｍｏｆｇｉｓｍｕｔｕａｌＹｎｔｒ１ｉｅａｃｔｎｇｉ
图３ＭｏｅＣｎｅ架构ｄｌｅｔｒ
பைடு நூலகம்
念转化为具体应用技术国内外有众多的企业及研究单位投入了大量人力、物
力进行ＭＤ相关的研究。当前该领域Ｏ的主要研究热点主要集中在三个方面：
络资源。传统设计方式面临的挑战主要
有几点意见：
务的并行计算提高设计效率。
经过２年的发展，多ＭＤ０许Ｏ技术已经在工业界得到成功应用。国外航空航在天业飞行器多学科设计优化项目包括：ＮＡＳ主持的新一代超音速民机Ａ
要采用多学科设计优化（Ｏ）技术．ＭＤ集成各专业学科独立的高精度设计仿真

航空航天工程中的多体动力学模拟与优化研究

航空航天工程中的多体动力学模拟与优化研究航空航天工程是现代工程领域的重要研究领域之一，而在航空航天工程中，多体动力学模拟与优化研究扮演着重要的角色。

本文将介绍多体动力学模拟与优化在航空航天工程中的应用，并探讨其在相关领域中的重要性与挑战。

航空航天工程中的多体动力学模拟是通过建立复杂的多体动力学模型，模拟实际运动中的多体系统，并根据系统的运动规律进行数值计算与分析的过程。

通过模拟与分析，研究人员可以深入理解航空航天工程中多体系统的动力学行为，优化相关工程设计与运行方案。

在航空航天工程中，多体动力学模拟与优化研究广泛应用于飞行器设计、空间探测器轨道设计、发动机燃烧过程模拟等方面。

其中，飞行器设计中的多体动力学模拟与优化研究尤为重要。

通过模拟分析飞行器在不同飞行状态下的动力学特性，可以优化飞行器的设计参数，提高其飞行性能与安全性。

例如，在飞行器设计中，多体动力学模拟可以帮助研究人员预测飞行器在不同气动载荷下的动态响应，评估设计的稳定性与舒适性，指导飞行器结构与控制系统的设计与优化。

此外，多体动力学模拟与优化研究还在空间探测器轨道设计中起着重要作用。

在空间探测任务中，探测器的轨道设计直接影响着任务的成功与效率。

通过模拟与优化分析，可以帮助确定最佳的轨道参数，使探测器能够高效地完成任务。

在这方面，多体动力学模拟与优化研究不仅需要考虑天体引力场的作用，还需要考虑其他因素如太阳辐射压力、大气扰动等对轨道的影响，以准确预测探测器的运动状态。

除了飞行器设计与空间探测任务中的应用，多体动力学模拟与优化研究还可用于研究发动机燃烧过程等工程问题。

在航空工程中，发动机燃烧过程的模拟与优化是提高发动机燃烧效率与减少排放的重要手段。

在航天工程中，多体动力学模拟与优化研究可以帮助理解航天器发动机在不同工作状态下的动态行为，优化燃烧过程，提高发动机的性能与可靠性。

然而，多体动力学模拟与优化研究在航空航天工程中也面临一些挑战。

首先，多体动力学模拟涉及到诸多物理过程与参数，需要建立准确的数学模型以描述多体系统的运动规律。