飞机总体多学科设计优化的现状与发展方向_余雄庆

第40卷第4期2008年8月 南　京　航　空　航　天　大　学　学　报Journal of N anjing U niversity of Aero nautics &Astronautics

V ol.40N o.4

　A ug.2008飞机总体多学科设计优化的现状与发展方向

余雄庆

(南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室,南京,210016)

摘要:通过对飞机总体多学科设计优化(M ultidisciplinary design optimizatio n ,M D O )研究进展的分析,为飞机总体M D O 进一步研究和应用提供基础。首先阐述飞机总体M DO 与传统飞机总体参数优化的区别,然后介绍M DO 领域中重要成果,包括代理模型技术、多学科敏度分析、M DO 策略和M DO 环境。着重分析飞机总体M DO 的关键技术及其实现途径,包括飞机总体M D O 流程、参数化飞机几何模型、分析模型的自动生成、耦合关系分析与表示、数据交换与数据管理和M DO 环境的建立。指出面向一体化产品开发团队的M DO 、基于不确定性的M D O 和面向飞机族的M DO 是飞机总体M DO 研究的3个新的研究方向。飞机总体M DO 使飞机总体设计过程更加科学化和自动化。

关键词:飞行器设计;多学科设计优化;优化

中图分类号:V 221 文献标识码:A 文章编号:1005-2615(2008)04-0417-10

　基金项目:航空科学基金(00B52017)资助项目;国家自然科学基金(90305004)资助项目;武器装备预研基金资助项目。　收稿日期:2007-10-10;修订日期:2007-12-03

　作者简介:余雄庆,男,教授,博士生导师,1965年5月生,E -mail :y x q @nuaa .edu .cn 。

Multidisciplinary Design Optimization for Aircraft Conceptual

and Preliminary Design :Status and Directions

Yu X iongqing

(K ey Labo rat or y o f Fundamental Science for Nat ional Defense-A dv anced Desig n T echno lo gy of F light Vehicle,

N anjing U niver sity of A ero naut ics &A stro naut ics ,N anjing ,210016,China )

Abstract :The state-of-the-art in the multidisciplinar y desig n optimization (M DO)for aircraft conceptual and preliminary design is review ed.T his paper prov ides a basis for one in understanding M DO,further research and applicatio ns of M DO to aircr aft conceptual and pr eliminary design .The differences betw een M DO and traditional optim izatio n techniques in air craft desig n are presented.T he co mmo n issues in M DO are rev iew ed,including sur rogate m odels,sensitivity of coupled systems,MDO methods,and M DO computational enviro nm ent .T he emphases ar e o n the key enabling techno logies in aircraft M DO ,including the strategies of M DO application in aircraft design ,a par am etric aircr aft CAD modeling ,au-to matic generations of analysis models,coupling analysis,and expression am ong disciplines,data tr ans-fer and management,and distributed computing framew ork.The nex t frontiers in MDO for aircraft de-sign ar e MDO fo r integr ated pro duct teams (IPT ),M DO under uncer tainty ,and MDO fo r aircraft fam i-ly.T he im pact of M DO in aircraft prelim inary design is that the design process is m ore scientific and au-to matic.

Key words :aircr aft design ;m ultidisciplinary desig n optim ization ;optim ization 飞机总体设计涉及气动、推进系统、飞行动力学、结构、重量重心、隐身和成本分析等多个学科。

为了缩短飞机总体设计周期,并能获得更优方案,人们在20世纪60年代中期就开始将计算机技术和

优化方法应用于飞机总体设计[1-2],由此形成了飞机总体参数优化这一研究方向。在随后的20多年中,这一研究方向倍受关注,发表了大量的文献[3-4],开发了许多飞机总体参数优化程序系统[3,5]。但与此同时,人们也开始逐渐认识到这些飞机总体参数优化程序的缺陷。这些程序中的几何、气动、重量、性能和推进系统等计算模型大多采用了统计数据、工程估算或经验公式,计算精度低,导致优化出的方案可信度较低。而且,这些程序也很难应用于新概念飞机或采用了新技术的飞机。因为对于新型飞机,这些工程估算或经验公式未必适用。还有,在飞机总体参数优化程序系统中,各学科分析模块被集成在一个统一程序中,不利于各学科人员更新各学科分析模块。因此,工业界希望有一种新的优化设计模式取代现有的飞机总体参数优化程序系统[6]。

另一方面,随着计算流体力学、结构有限元方法、飞行动力学仿真、计算电磁学等各学科数值模拟技术的不断发展和深入,已经可以不赖于统计数据和经验公式,对各种飞机进行比较可靠的数值仿真。在计算机科学领域,高性能计算机、并行计算、网络技术、分布式计算和数据库技术的迅猛发展也为各学科高精度数值模拟和数据交换提供了技术基础。

在上述背景下,90年代初美国AIAA正式率先提出了多学科设计优化M DO(Multidisciplinary desig n optim ization)这一研究领域[6]。按照NASA 对M DO的一般定义:MDO是一种通过充分探索和利用系统中相互作用的协同机制来设计复杂系统和子系统的方法论。针对飞机这个系统而言,作者认为飞机总体MDO的含义是:基于MDO理念,将各学科的高精度分析模型和优化技术有机地集成起来,寻找最佳总体方案的一种设计方法。它与传统的飞机总体参数优化主要区别是:(1)分析模型中采用各学科已发展成熟的数值分析模型,计算精度较高,从而可提高总体设计优化的可信度;(2)不依赖统计数据或经验公式,可用于新型飞机总体设计;(3)通过研究各学科(或子系统)之间的耦合关系,获得总体最优解;(4)通过应用先进的分布式计算技术,集成各学科分析模型和优化技术,整个系统是一种分布式的、模块化的结构。

近十几年来,飞机总体M DO在美欧航空业发达国家非常重视,政府部门资助了一系列飞行器M DO的研究计划。1994年以来,在NASA资助下,大学的研究人员对有关高速民机M DO问题进行了较广泛的研究[7-8],NASA与工业界合作研制了高速民机多学科设计优化系统HSCT[9]。虽然高速民机项目已经终止,但有关研究推动了飞机总体M DO的发展。随后NASA又启动了先进工程环境项目(Advanced engineering environment, AEE)[10],旨在为新一代可重复使用空间飞行器的概念设计提供一个协同设计环境。90年代末,欧洲实施了为期3年的多学科设计优化研究计划[11],其主要目的是在分布式环境下集成各学科的软件,探索一种设计复杂航空产品的方法和工具。他们以翼身融合体布局的客机为研究对象,初步研制了一个面向飞机总体设计的原型系统——计算设计引擎CDE(Co mputatio nal design eng ine)。最近,在欧盟第六框架下,欧盟针对2020年航空工业的发展趋势,正在进行VIVAC项目[12](Value improvement through a virtual aero nautical collaborativ e enter-prise),旨在为飞机和发动机设计提供先进的虚拟协同设计环境。

在工业界,企业为了提高自身竞争力,积极开展了飞机总体M DO的开发工作。例如,波音公司开发了基于高精度分析模型的飞机M DO系统——M DOPT[13],洛克希德公司研制了飞机快速概念RCD(Rapid conceptual design)[14]。

在学术界,大学等研究机构对M DO基础研究也非常重视,研究内容涉及M DO策略、面向多学科的分析方法、M DO计算环境等方面。

对M DO的广泛需求也刺激了M DO商用软件的开发[15-17]。

M DO为飞机总体设计提供了一种新方法,同时也提出了新的课题和新的挑战。研究和开发飞机总体MDO,必须首先了解M DO的内容和方法,然后针对具体的飞机总体设计问题,解决其关键问题。下文首先对M DO基础研究的若干进展进行归纳和总结,然后针对飞机总体MDO,阐述关键技术,分析其研究现状。另外从飞机总体设计实际需求出发,指出了飞机总体M DO的研究方向。最后总结MDO对飞机总体设计的影响。

1　MDO内容和方法

对于多学科设计优化问题,由于涉及多门学科,且各学科之间存在耦合效应,整个系统分析模型的计算量要比单学科优化大得多,各学科之间的数据传递与管理也复杂得多。针对这些共性特点, M DO研究内容可归纳为4个主要方面:(1)代理模型技术;(2)面向多学科的敏度分析;(3)M DO策

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