【PPT】飞机总体参数优化

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 1. 飞机总体参数优化问题，以飞机总重最 小为目标，要求满足航程和失速速度的 约束要求，即：航程必须大于允许的最 小航程；失速速度不得超过允许的最大 失速速度，以便获得较好的失速特性。

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。


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。

作为设计对象的现代飞机是一个极复杂 的工程系统，具有高度的层次结构无论 是军用飞机还是民用飞机，都是由机体 平台、动力系统、机载设备、控制系统 等构成的。飞机的各系统是相互联系和 互相制约的。

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：



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。
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

6.1.1多学科设计优化的基本概念 飞机总体设计是一个复杂的系统工程， 覆盖了多个学科的内容，例如空气动力学、 结构学，推进理论，控制论等。多学科设 计优化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。

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

系统级优化模型：
气动学科优化模型：
ห้องสมุดไป่ตู้
重量学科优化模型：
重量学科存在内部耦合关系，需要通过迭代分析求出状态变量（ WE 和Wdg ）的精 确值。WE的计算依赖于气动学科的LD，因此该学科的不确定性来自于LD 的近似信息。
性能学科优化模型：
式中：“~”表示响应面构造的其他相关学科的近似模型，“RSM” 代表响应面，不标注者为精确模型。
6.2 面向系统设计的方法
现代飞机设计是一个极复杂的系统工程， 决定了飞机设计方法是建立和研究大型 复杂系统的功能性规律最一般的描述及 对其进行分析和综合的方法。

6.2.1 现代飞机设计特点
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将设计优化问题分解 为若干个学科级优化问题和一个系统级优 化问题。在学科级（子空间）优化中，本 学科的状态变量计算通过该学科的精确模 型来获取，所涉及的其它学科的状态变量 计算通过某种近似模型来得到。各学科优 化计算相互独立，可并行进行，因此称为 并行子空间优化算法。

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。
多学科设计优化技术有下列特点



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。
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

面向系统的设计方法是在充分考虑影响 系统完成任务和达到指定目标的所有因 素基础上对系统进行研究。以数学模型 为基础，系统设计的问题可归结为：总 的目标函数在多种约束条件下的优化问 题。
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。
多学科优化的算法
MOD算 法
单级优化算法
协同优化算法
并行子空间算 法

多学科优化（MOD） 算法可归纳为三大类：单级优 化算法、并行子空间优化算法和协作优化算法。
6.1.2 协同优化（Collaborative Optimization）
协同优化将优化设计问题分为两级：一 个系统级和并行的多个学科级。