基于响应面法的某双体飞艇囊体气动外形优化

为了进一步减小阻力,提高整个飞艇的气动性能,针对某双体飞艇囊体的长宽比、宽厚比和最大截面位置三个主要外形参数,采用试验设计和响应面法相结合的方法进行了囊体气动外形优化设计,以CFD数值计算技术的结果为基础,共进行了15次试验。优化前,囊体零升阻力系数为0.029 8;优化后,其零升阻力系数为0.027 4,减小了8.76%,巡航状态升阻比增加了5.25%,整个飞艇的气动性能得以较大改善,也证实了优化模型的有效性。研究表明:基于Box-Behnken设计和响应面法的双体飞艇囊体气动外形优化设计方法,不但考虑了外形参数之间的交互作用,而且计算量相对较小,计算结果的精度和可靠度较高,可以快速准确地优选出囊体外形参数的最优组合,具备一定的工程实用价值。     

基于近似技术的协同优化方法在机翼设计优化中的应用

将多学科设计协同优化方法与近似技术相结合,实现某机翼涉及结构和气动两个学科的设计优化。在对某机翼的协同优化设计中,采用基于均匀设计的二次响应面技术得到近似的协同优化模型,利用基于动态松弛近似的协同优化得到合理的结果。研究表明,将协同优化方法与近似技术相结合,能够有效地解决复杂工程的设计优化问题。     

转捩对平流层飞艇外形优化的影响

采用梯度算法优化了平流层飞艇外形以减少气动阻力,目标函数飞艇总阻力系数通过求解Navier-Stokes方程获得.优化过程中采用了SSTκ-ω转捩湍流模型和Realizable κ-ε全湍流模型求解绕流流场,采用大涡模拟方法详细分析了获得的两种飞艇外形的气动性能和特点,并且比较了两种湍流模拟方法的流场求解对梯度法优化的目标函数以及飞艇形状特点的影响.结果表明:是否考虑转捩对优化的结果有明显的影响,考虑转捩优化方案的气动性能明显优于全湍流流动求解优化方案.采用转捩模型的优化由于层流区域的存在改变了飞艇尾部的形状,从而获得了尾部分离区较小的飞艇外形轮廓.      

平流层飞艇三叶螺旋桨结构优化方法

为实现螺旋桨轻质量和高固有频率之间的权衡设计,发展了1种桨叶对称削层结构的分区优化方法。为拓宽其高效率的速度和高度范围,应采用变桨距技术,需要设计圆柱形桨叶根部。该桨叶与不同桨距角的桨毂组合装配,可实现人工变桨距,在地面试验中达到高空转速。该螺旋桨采用组合分体式桨毂布局、桨叶内部填充泡沫和碳纤维混合结构,基于NSGA-Ⅱ（non-dominated sorting genetic algorithm）,完成了支座固支的桨叶铺层参数优化,得到桨叶质量和频率的Pareto解集,在±10%频率安全裕度外选取最优铺层方案,并与实物测试值对比,结果表明：桨叶质量相对误差2.09%;支座固支的单桨叶频率相对误差9.30%;桨毂固支的组合体频率相对误差2.76%,避开了工作转速共振区间,证明该结构优化方法是合理有效的。     

平流层飞艇平台的类型与技术途径

目前国外研制中的平流层飞艇主要有展开式、多节囊体式和单艇体式三种方式,文章介绍了三种方式各自的优势和关键技术,可供借鉴和参考。     

基于响应面法的可靠性稳健设计优化

针对极限状态函数和结构性能函数为隐式的结构可靠性稳健设计优化问题,将结构性能稳健性、可靠性灵敏度稳健性与6σ稳健设计思想相结合,建立了一种基于响应面法的可靠性稳健设计优化模型并给出了具体算法.采用多项式拟合结构性能函数和极限状态函数,推导了基于响应面函数的1阶可靠度指标以及性能函数均值和均方差的计算方程;将结构可靠度作为基本约束条件,采用序列二次规划法得到稳健设计优化结果.运用该方法对某涡轮叶片型线进行设计优化,经过优化后,静、动叶的动能效率均值分别提高1.5%和6.4%,动叶片最大应力均值下降7.9%,动叶叶身最大变形均值下降5.6%,动叶片结构强度可靠度由初始的91.3%提高到了99.9%.      

基于响应面的BLISS改进方法

在分析研究BLISS(bi-level integrated system synthesis)方法的基础上,提出了一种BLISS改进方法,该方法在子系统级和系统级均引入基于试验设计的响应面进行近似,并设置了可调移动步长参数,不需再进行复杂的灵敏度分析,消除了BLISS方法对每步迭代优化移动步长的限制,减少了优化迭代次数和陷入局部最优的可能性.最后给出两个具体算例对上述方法进行了验证并与传统BLISS方法进行了对比,结果表明:其优化迭代次数分别减少了57.9%和70.3%,证明了该方法的可行性和有效性.      

平流层飞艇总体多目标优化设计与决策

将多目标优化与多属性决策相结合应用于平流层飞艇总体多目标优化中。建立平流层飞艇多目标优化模型,实现优化模型参数化建模,采用多目标进化算法NSGA－Ⅱ得到Pareto最优解集,构成多属性决策矩阵,采用模糊熵权TOPSIS（ M－TOPSIS）法对Pareto非劣解进行排序,获得最佳设计方案。最终结果验证了NSGA－Ⅱ平流层飞艇多目标优化中的有效性。     

实现结构轻量化的新型平流层飞艇研究进展

平流层飞艇具有极高的实用价值,是国内外临近空间开发的研究热点。和中低空常规飞艇相比,由于单位体积所提供的浮力大大降低,使得平流层飞艇设计时存在艇体体积、阻力和重量之间的循环关系,飞艇结构轻量化成为平流层飞艇研发的首要课题,受到了各国研究机构的高度重视。本文对目前实现平流层飞艇结构轻量化的主要方法和技术进行了整理,给出了利用这些方法实现结构轻量化的平流层飞艇研究进展,比较了这些方法的优势和不足,并对新型的平流层展开飞艇技术进行了分析。分析结果认为改进蒙皮材料性能、改变飞艇的结构形式和利用新型的空中展开飞艇将是平流层飞艇实现结构轻量化的主要手段,新型空中展开飞艇能够有效地实现结构轻量化,具备较好的发展潜力。     

平流层飞艇尾部形状对气动阻力的影响

为了研究平流层飞艇尾部动量边界层厚度与尾涡结构,应用LES(大涡模拟)方法计算了零攻角工况下飞艇绕流场,并对LOTTE和M-LOTTE两种飞艇进行了对比分析.采用Q分布和涡量描述回转体尾涡结构,根据Q分布可以确定M-LOTTE飞艇较LOTTE飞艇尾部分离区显著减小;并分析了回转体的轴对称曲面动量边界层厚度对飞艇气动阻力的影响,随着飞艇尾部厚度逐渐减小,动量边界层厚度逐渐增大,M-LOTTE飞艇尾部动量边界层厚度明显小于LOTTE飞艇.飞艇尾部动量边界层厚度分布说明了M-LOTTE飞艇的总阻力系数较LOTTE飞艇降低17.2%的原因,同时也表明飞艇尾部形状对飞艇气动阻力影响较大.      

面向成本的飞机结构优化设计

基于协同优化方法,建立了面向成本的飞机结构优化设计模型.该模型不同于传统的结构设计中以质量最小或结构效率最大为优化目标,而是以寿命周期成本为目标,通过相同的结构尺寸变量将结构质量与制造成本联系起来.其中以重量表征油耗成本,寿命周期成本模型被简化为制造成本和油耗成本的函数.在iSIGHT优化平台实现了这一结构协同优化的过...     

基于KS函数的协同优化算法及其应用

多学科设计优化(MDO)是当前航空航天复杂系统设计研究中一个最新、最活跃的领域,针对多学科设计优化中协同算法优化过程中存在的收敛困难、计算量大、费时等问题,提出一种新的系统级约束处理方法,利用KS函数的凝聚特性,将系统级的多个学科约束凝聚成一个拥有光滑高阶可微的可行域单约束,来取代罚函数法中的多个约束,以缓解多约束之间的冲突并加速收敛速度.利用两个典型算例进行测试,结果表明改进方法有效.     

基于双弹簧振子模型的飞艇起落架载荷研究

FAA-P-8110-2《飞艇设计准则》相关条款明确了飞艇起落架载荷的适航规范要求,为了使飞艇起落架 设计更好地满足适航条款,本文提出基于双弹簧振子模型的飞艇起落架载荷计算方法。根据经典动力学理论, 推导飞艇起落架系统的振动微分方程组;运用 Python语言的科学计算模块对模型进行编程、封装,形成便捷友 好的可视化仿真工具;以某载人飞艇型号为研究对象,分析影响起落架载荷的主要因素,并通过仿真计算起落 架载荷。结果表明:提出的基于双弹簧振子模型的飞艇起落架载荷计算模型满足FAA-P-8110-2条款对起落架 载荷计算的要求;在给定的气囊内外压差下,起落架载荷随着气囊压力的增加而减小。     

最佳平方逼近的异步时钟恢复插值滤波器设计

给出了一种异步时钟恢复的最佳平方逼近插值滤波器设计，该滤波器基于最小平方逼近理论，采用易于硬件实现的Farrow结构；克服了拉格朗日插值滤波器参数固定而窗函数截短插值滤波器结构复杂的问题。对我国航天测控设备的数字化和小型化具有较好的应用价值。     

基于多方法协作优化算法的飞机总体优化设计

针对飞机总体优化设计中存在目标函数与变量之间没有显式关系式等问题,在建立包含推进、气动、性能及重量四个学科的飞机总体设计模型的基础上,采用遗传算法、模式搜索法和Powell法结合的多方法协作优化策略实现了飞机总体参数的优化;并对优化方案进行参数灵敏度分析,优化后飞机正常起飞总重较优化前降低11.6%,优化效果显著.分析结果表明了基于多方法协作优化算法的飞机总体优化设计的有效性.     

基于响应面的涡轮叶片冷却通道设计优化

基于响应面近似技术,对涡轮冷却叶片的气动和传热性能进行了设计优化。以冷却通道肋的位置为设计变量,采用拉丁超立方抽样在变量设计空间里选取样本点,根据样本点建立叶片计算模型,采用流-热耦合分析方法得到叶片气动与传热性能参数,拟合得到叶片壁面最高温度、平均温度和总压损失关于设计变量的四阶响应面近似模型。采用响应面模型动态修正技术,进行了回流式冷却通道的设计优化,得到了优化解,减少了总压损失,使叶片最高温度下降了24.5 K,叶片壁面平均温度下降了34.4 K。     

基于响应面法的联结翼气动设计及优化

联结翼布局与常规布局相比具有结构重量轻、诱导阻力小、升力系数大、稳定性良好的特点。本文选取5个对联结翼布局影响明显的设计变量,利用数值模拟的方法研究不同设计变量对联结翼气动特性的影响。同时,应用了旨在提高优化计算效率的响应面方法。在优化设计中采用模拟退火算法对目标函数进行优化求解。研究结果表明,在机翼面积不变的情况下,增大前、后翼弦向距离以及两翼间的翼隔,采用V型翼差角布局方式,能有效降低两翼间的相互干扰,增大升阻比。     

基于神经网络的飞行器总体优化设计

针对经验公式存在的精度低、适用范围受限的缺点,采用广义回归网络代替经验公式计算气动特性,并将其嵌入到优化设计流程之中,提出了一种基于神经网络的飞行器总体优化设计方法。神经网络的训练样本输入、输出数据通过试验设计和涡格法计算得到。以高空长航时无人机为例,选取航时与机翼结构重量系数作为目标函数,应用所提出的方法进行总体优化设计。计算结果表明,提出的方法是可行的,能够满足设计要求,同时降低优化过程的复杂程度,减少迭代次数。     

多变量气动设计问题分层协同优化

 通过验证实例分析,气动设计中精细化优化模型对设计结果收敛精度的提高有很大帮助,但同时也带来优化算法搜索困难的问题,并且由于不同类型设计变量之间的相互耦合干扰使优化难以收敛到全局最优解。于是提出基于响应均值灵敏度的概念对大规模的设计变量进行重要性分组的策略,依据设计变量分组情况应用系统分解思想对多变量设计问题进行分层协同优化来降低系统的复杂度,这既保证了精细化设计的要求,又缓解了优化算法对大规模问题搜索困难的问题。与传统气动优化方法相比,基于系统分解的分层协同优化算例有较大寻优效率和性能提升,证明了该方法的可行性。