飛行器多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化.ppt

1、飛行器多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化,飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所 航空科學(xué)與工程學(xué)院,飛機(jī)總體設(shè)計(jì) 第十二講,2020年10月7日星期三,2,飛行器多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化,Multidisciplinary Design Optimization of Flight Vehicles,2020年10月7日星期三,3,內(nèi)容,基本概念 MDO方法的提出 MDO的系統(tǒng)學(xué)描述 國內(nèi)外MDO研究進(jìn)展（美國、俄羅斯、歐洲、其它國家、國內(nèi)情況） 優(yōu)化方法 算例：導(dǎo)彈多學(xué)科集成設(shè)計(jì)優(yōu)化,2020年10月7日星期三,4,2020年10月7日星期三,5,2020年10月7日星期三,6,2020年10月7日星期三,7,2020年10月7日星期三,8,

2、MDO方法的提出,飛行器設(shè)計(jì)過程通常分為概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)三個階段。 概念設(shè)計(jì)的結(jié)果是給出初步的總體設(shè)計(jì)方案。 經(jīng)濟(jì)可承受性問題被重視，因而LCC成為衡量設(shè)計(jì)方案好壞的標(biāo)準(zhǔn)。 下圖是波音公司針對彈道導(dǎo)彈系統(tǒng)的LCC一個統(tǒng)計(jì)結(jié)果。,2020年10月7日星期三,9,2020年10月7日星期三,10,MDO方法的提出,由圖中看出，概念設(shè)計(jì)費(fèi)用只占LCC的1%，做出的決策所決定的費(fèi)用為70%。 人們開始注意提高概念設(shè)計(jì)的質(zhì)量，采用的手段就是優(yōu)化技術(shù)。 概念設(shè)計(jì)的目標(biāo)：最小起飛重量或最大有效載荷，關(guān)鍵學(xué)科為空氣動力學(xué)和推進(jìn)技術(shù)。下圖顯示傳統(tǒng)飛行器設(shè)計(jì)的途徑，注意設(shè)計(jì)自由度的變化。,2020年1

3、0月7日星期三,11,2020年10月7日星期三,12,MDO方法的提出,基本上是一種串行設(shè)計(jì)模式，不同設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者選擇不同的學(xué)科重點(diǎn)對飛行器進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，沒有考慮不同學(xué)科的耦合產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，可能得不到系統(tǒng)整體最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。 存在的問題是，概念設(shè)計(jì)階段由于已知信息短缺、強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)學(xué)科，不能充分利用該階段的自由度來改善設(shè)計(jì)質(zhì)量。,2020年10月7日星期三,13,MDO方法的提出,針對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不足，MDO就出現(xiàn)了，其主要思想是在飛行器各設(shè)計(jì)階段力求學(xué)科平衡，考慮各學(xué)科的相互影響和耦合作用，使用有效的優(yōu)化策略和分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用各學(xué)科的系統(tǒng)效應(yīng)，獲得系統(tǒng)整體最優(yōu)解。 使用MD

4、O方法后的設(shè)計(jì)過程、和在自由度和知識方面期望達(dá)到的目標(biāo)見下圖。,2020年10月7日星期三,14,2020年10月7日星期三,15,MDO方法的提出,使用MDO方法后，為獲得更多信息和使用更大的設(shè)計(jì)自由度，概念設(shè)計(jì)階段時間增長了一倍，詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的時間縮短了1/3。 概念設(shè)計(jì)階段的學(xué)科分配更加合理，在總體設(shè)計(jì)階段引入更多的知識來提出更加合理的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)自由度的實(shí)質(zhì)是允許對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改。,2020年10月7日星期三,16,MDO的系統(tǒng)學(xué)描述,先介紹幾個專用術(shù)語。 學(xué)科（Discipline）：系統(tǒng)中本身相對獨(dú)立、相互之間又有數(shù)據(jù)交換的基本模塊，在MDO中學(xué)科又叫子系統(tǒng)、子空間，有時翻譯成

5、“領(lǐng)域”或“專業(yè)”。 設(shè)計(jì)變量（Design Variable）：用于描述工程系統(tǒng)的特征、在設(shè)計(jì)過程中可被設(shè)計(jì)者控制的一組相互獨(dú)立的變量。,2020年10月7日星期三,17,2020年10月7日星期三,18,MDO的系統(tǒng)學(xué)描述,設(shè)計(jì)變量可分為：系統(tǒng)（System）設(shè)計(jì)變量X和局部（ Local ）設(shè)計(jì)變量Xi。 狀態(tài)變量（State Variable）：用于描述工程系統(tǒng)的性能或特征的一組參數(shù)。分系統(tǒng)狀態(tài)變量y，學(xué)科狀態(tài)變量yi 和耦合狀態(tài)變量yij。 約束條件（Constraints）：系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中必須滿足的條件。,2020年10月7日星期三,19,MDO的系統(tǒng)學(xué)描述,約束條件有等式和不等

6、式之分，分別用h和g表示，也分系統(tǒng)約束和學(xué)科約束。 系統(tǒng)參數(shù)：用于描述工程系統(tǒng)的特征、在設(shè)計(jì)過程中保持不變的一組參數(shù)p。 學(xué)科分析（Contributing Analysis CA）:以該學(xué)科設(shè)計(jì)變量、其它學(xué)科對該學(xué)科的耦合狀態(tài)變量及系統(tǒng)的參數(shù)為輸入，根據(jù)某一個學(xué)科滿足的物理規(guī)律確定其物理特性的過程。,2020年10月7日星期三,20,MDO的系統(tǒng)學(xué)描述,學(xué)科分析也稱子系統(tǒng)分析或子空間分析。設(shè)學(xué)科i的狀態(tài)方程為： 則學(xué)科分析就是求解學(xué)科狀態(tài)方程：,2020年10月7日星期三,21,MDO的系統(tǒng)學(xué)描述,系統(tǒng)分析（System Analysis, SA）：對于整個系統(tǒng)，給定一組設(shè)計(jì)變量，通過求解系

7、統(tǒng)的狀態(tài)方程得到系統(tǒng)狀態(tài)變量的過程。由于耦合效應(yīng)，分析過程一般需要多次迭代才能完成。,2020年10月7日星期三,22,MDO的系統(tǒng)學(xué)描述,一致性設(shè)計(jì)（Consistent Design）：在系統(tǒng)分析過程中，由設(shè)計(jì)變量及其相應(yīng)的滿足系統(tǒng)狀態(tài)方程的系統(tǒng)狀態(tài)變量組成的一個設(shè)計(jì)方案。 可行設(shè)計(jì)（Feasible Design）：滿足所有設(shè)計(jì)要求或設(shè)計(jì)約束的一致性設(shè)計(jì)。 最優(yōu)設(shè)計(jì)（Optimal Design）：使目標(biāo)函數(shù)最小或最大的可行設(shè)計(jì)。,2020年10月7日星期三,23,2020年10月7日星期三,24,國內(nèi)外MDO研究進(jìn)展,MDO于1980年代發(fā)展起來。奠基人是J. Sobieszczans

8、ki-Sobieski，其專長是結(jié)構(gòu)優(yōu)化。1982年他在研究大型結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題求解的一篇論文中，首次提出了MDO的設(shè)想，后來提出基于敏度分析的MDO方法，引起了學(xué)術(shù)界極大關(guān)注。 由于飛行器系統(tǒng)日益復(fù)雜，航空航天領(lǐng)域最先開展MDO研究和應(yīng)用。,2020年10月7日星期三,25,國內(nèi)外MDO研究進(jìn)展,1986年，AIAA/NASA/USAF/OAI等4家機(jī)構(gòu)聯(lián)合召開了第一屆“多學(xué)科分析與優(yōu)化”專題研討會，以后每2年一次。 1991年，AIAA成立專門的MDO技術(shù)委員會，標(biāo)志著MDO作為一個新的研究領(lǐng)域正式誕生。 1994年，NASA在郎利研究中心正式成立了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化分部（ MDOB）。,2020

9、年10月7日星期三,26,國內(nèi)外MDO研究進(jìn)展,1996年，Sobieski和Haftka撰寫了“航空航天領(lǐng)域中的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化研究綜述”一文，對MDO的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了回顧，為MDO研究指明了方向。 同年，AIAA組織以論文集形式出版了“多學(xué)科設(shè)計(jì)研究最新進(jìn)展”一書，闡述了MDO的概念、基本方法、學(xué)科發(fā)展、近似概念和應(yīng)用環(huán)境等內(nèi)容。,2020年10月7日星期三,27,國內(nèi)外MDO研究進(jìn)展,MDO在美國大專院校也受到重視。美國在1990年代初把“在多學(xué)科團(tuán)隊(duì)中發(fā)揮作用的能力”確定為面向21世紀(jì)的工科大學(xué)畢業(yè)生亟待培養(yǎng)與加強(qiáng)的能力，從1991年起，佐治亞理工學(xué)院等大學(xué)開始開設(shè)這方面的課程。 199

10、8年，“工程系統(tǒng)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化”列為美國研究生必修課程，目前，已有50多所院校開設(shè)了該課程,2020年10月7日星期三,28,國內(nèi)外MDO研究進(jìn)展,MDO在工業(yè)界也得到應(yīng)用，1998年AIAA的MDO技術(shù)委員會就MDO在工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了調(diào)查，涉及到波音公司的翼身融合飛機(jī)、旋翼飛行器的旋翼設(shè)計(jì)與優(yōu)化以及F/A-18E/F飛機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，洛馬公司的F-22飛機(jī)結(jié)構(gòu)/氣動一體化設(shè)計(jì)和F-16高敏捷“戰(zhàn)隼”的多學(xué)科設(shè)計(jì)與優(yōu)化，歐洲區(qū)域運(yùn)輸機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及以A3XXX為研究對象的工作。,2020年10月7日星期三,29,國內(nèi)外MDO研究進(jìn)展,目前，MDO在國際上形成了研究熱潮，除美國外，歐洲、俄羅斯、

11、日本等國家都在進(jìn)行MDO研究，范圍從航空航天領(lǐng)域擴(kuò)展到汽車、通信、運(yùn)輸、機(jī)械、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域。 包括北航在內(nèi)的我國多個學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)單位在MDO方面的研究也十分積極，并取得了不少進(jìn)展。,2020年10月7日星期三,30,美國的MDO研究現(xiàn)狀,1991年，美國的MDO白皮書明確提出：MDO應(yīng)當(dāng)由政府部門、大學(xué)和工業(yè)界共同推動。 政府部門：NASA的MDOB，1994年NASA認(rèn)為：航空航天對MDO的研究和應(yīng)用有廣泛的興趣和支持，新的飛行器設(shè)計(jì)要在滿足性能要求前提下盡可能滿足可承受性，成本帶入設(shè)計(jì)過程會改變設(shè)計(jì)問題的數(shù)學(xué)本質(zhì)。,2020年10月7日星期三,31,美國的MDO研究現(xiàn)狀,MDOB已發(fā)

12、起了10多項(xiàng)大型項(xiàng)目，如X-33噴管研究（19951998），高性能計(jì)算與通信計(jì)劃（HPCCP,19952002），在該計(jì)劃下的HSCT系統(tǒng)研究，是飛行器設(shè)計(jì)的MDO方法研究最深入最持久影響最大的項(xiàng)目。 屬于政府機(jī)構(gòu)的另一個部門是AIAA的MDO技術(shù)委員會。,2020年10月7日星期三,32,美國的MDO研究現(xiàn)狀,院校研究中心有：佐治亞理工學(xué)院航天系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室(SSDL)和航空系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室(ASDL)，斯坦福大學(xué)航空航天計(jì)算實(shí)驗(yàn)室(ACL)和飛機(jī)氣動與設(shè)計(jì)小組(ADG)，弗吉尼亞工學(xué)院與州立大學(xué)先進(jìn)飛行器多學(xué)科分析與設(shè)計(jì)中心(MAD) ，佛羅里達(dá)大學(xué)結(jié)構(gòu)與學(xué)科優(yōu)化小組等等。,2020年10

13、月7日星期三,33,美國的MDO研究現(xiàn)狀,美國許多大型企業(yè)都積極開展MDO運(yùn)用研究，以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期、節(jié)省設(shè)計(jì)費(fèi)用。 如波音公司、洛克西德馬丁公司、通用電氣公司等。,2020年10月7日星期三,34,俄羅斯的MDO研究現(xiàn)狀,俄羅斯近年來發(fā)表了不少有關(guān)MDO的論文，如俄羅斯空間科學(xué)研究院研制的IOSO(Indirect Optimization on the basis of Self-Organization)，可用于求解各類MDO問題。 該算法將基于梯度的非線性規(guī)劃方法與進(jìn)化式響應(yīng)面方法巧妙結(jié)合，可求解非光滑、隨機(jī)、多目標(biāo)、混合變量等各類優(yōu)化問題。,2020年10月7日星期三,3

14、5,2020年10月7日星期三,36,俄羅斯的MDO研究現(xiàn)狀,IOSO最先在俄羅斯航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用，然后逐步推廣到汽車業(yè)、加工業(yè)、生物工程等各個領(lǐng)域。進(jìn)入商業(yè)化，向國際推廣。 俄羅斯對MDO的理解： MDO就是將多級、多準(zhǔn)則與并行優(yōu)化技術(shù)緊密結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)的手段，下圖就是對這種MDO設(shè)計(jì)方法的理解 。,2020年10月7日星期三,37,2020年10月7日星期三,38,2020年10月7日星期三,39,歐洲MDO研究進(jìn)展,1996年，歐盟啟動了“MDO工程”，由空客牽頭，共10余個研究單位參加。其主要目標(biāo)包括：飛行器壽命周期的初步設(shè)計(jì)階段的集成問題，并行MDO方法，信息技術(shù)與設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)一步

15、融合。 MOB項(xiàng)目是歐盟正在進(jìn)行的大型分布式MDO項(xiàng)目，主要內(nèi)容為翼身融合體布局的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化 。,2020年10月7日星期三,40,其它國家MDO研究進(jìn)展,日本大阪大學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程實(shí)驗(yàn)室(SDEL)，研究方向?yàn)槔糜?jì)算機(jī)支持發(fā)展產(chǎn)品MDO設(shè)計(jì)方法。 韓國漢陽大學(xué)的靈敏度分析與設(shè)計(jì)革新實(shí)驗(yàn)室(SANDI)，主要進(jìn)行靈敏度分析方法、全局優(yōu)化等研究。 韓國Konkuk大學(xué)氣動設(shè)計(jì)與多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室(ADMOL)。,2020年10月7日星期三,41,國內(nèi)MDO研究進(jìn)展,國內(nèi)跟蹤MDO和研究MDO的應(yīng)用已經(jīng)有10多年的時間了，取得了一些進(jìn)展，但用于工程項(xiàng)目還有一些問題。 北航、南航、西工大、國防

16、科技大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、大連鐵道學(xué)院、北京工業(yè)大學(xué)、中科院的多家研究所等單位都在進(jìn)行MDO的研究。 工業(yè)部門也在逐步接受MDO。iSight。,2020年10月7日星期三,42,優(yōu)化方法,經(jīng)典優(yōu)化方法（間接法、直接法） 全局最優(yōu)化方法 現(xiàn)代優(yōu)化方法 （模擬退火、進(jìn)化算法、禁忌搜索算法） 混合優(yōu)化策略 多方法協(xié)作優(yōu)化方法（基本概念、若干性質(zhì)、實(shí)例、與混合優(yōu)化策略比較）,2020年10月7日星期三,43,2020年10月7日星期三,44,2020年10月7日星期三,45,現(xiàn)代優(yōu)化算法,現(xiàn)代優(yōu)化算法包括禁忌搜索(Taboo Search,TS)、模擬退火(Simulated Annealing,

17、 SA)、進(jìn)化算法(Evolution-ary Algorithms, EA)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Neural Net-works,NN)和拉格朗日松弛等算法。 這些算法涉及生物進(jìn)化、人工智能、數(shù)學(xué)和物理科學(xué)、神經(jīng)系統(tǒng)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)等概念，都是以一定的直觀基礎(chǔ)構(gòu)造的算法，也叫啟發(fā)式算法，有以下特性：,2020年10月7日星期三,46,現(xiàn)代優(yōu)化算法,與導(dǎo)數(shù)無關(guān)； 直觀的思路； 靈活性：對目標(biāo)函數(shù)的要求少； 應(yīng)用廣泛性：對設(shè)計(jì)空間，變量無苛刻要求，不要求連續(xù)； 隨機(jī)性：確定下一步搜索方向是隨機(jī)的。啟發(fā)式算法又稱全局優(yōu)化算法。 難以解析：主要基于經(jīng)驗(yàn)研究。,2020年10月7日星期三,47,導(dǎo)彈多學(xué)科集成設(shè)計(jì)優(yōu)

18、化,發(fā)動機(jī)與導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)、外形對導(dǎo)彈性能有重要影響。 導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)需要考慮總體、控制、動力、結(jié)構(gòu)、載荷、彈道等諸多學(xué)科。 本例在固體推進(jìn)劑戰(zhàn)略導(dǎo)彈/發(fā)動機(jī)一體化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用多學(xué)科分析方法，在MDO框架下實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈的多學(xué)科集成、設(shè)計(jì)與優(yōu)化。,2020年10月7日星期三,48,設(shè)計(jì)優(yōu)化模型,主要包括發(fā)動機(jī)、質(zhì)量、氣動和彈道計(jì)算等4個模塊。 在導(dǎo)彈總體參數(shù)和總體方案初步選擇后，可進(jìn)行發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)和性能計(jì)算，產(chǎn)生的燃燒室外形尺寸用于導(dǎo)彈外形設(shè)計(jì)，噴管外形用于級間段設(shè)計(jì)，質(zhì)量特性和性能參數(shù)用于彈道計(jì)算。,2020年10月7日星期三,49,發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)模型,發(fā)動機(jī)模型包括：熱力計(jì)算、比沖計(jì)算、根據(jù)裝藥量和給

19、定的裝填系數(shù)確定發(fā)動機(jī)主要外形尺寸、按照展開質(zhì)量模型計(jì)算發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量。 輸入?yún)?shù)：各級導(dǎo)彈直徑、燃燒室壓強(qiáng)、推力、工作時間、噴管面積比等。 輸出參數(shù)：各級發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量、推進(jìn)劑質(zhì)量、推力作用點(diǎn)、噴管面積、噴管長度、燃燒室長度等。,2020年10月7日星期三,50,質(zhì)量計(jì)算模型,以發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，計(jì)算導(dǎo)彈質(zhì)量和質(zhì)量變化特性。 導(dǎo)彈質(zhì)量包括各級發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑質(zhì)量、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量、子級結(jié)構(gòu)質(zhì)量、電子設(shè)備質(zhì)量、有效載荷質(zhì)量及其它質(zhì)量。 在飛行過程中，導(dǎo)彈質(zhì)量是隨時間增加而逐漸減小的，因而需要計(jì)算飛行過程中的質(zhì)量及其質(zhì)量特性參數(shù)變化，以便描述導(dǎo)彈的飛行性能。,2020年10月7日星期三,51,質(zhì)量計(jì)算模型,質(zhì)量模塊還需給出彈體飛行過程中的質(zhì)心位置參數(shù)和轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)隨飛行時間和飛行質(zhì)量的變化規(guī)律。 主要輸入?yún)?shù)：發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)模塊輸出參數(shù)中的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和推進(jìn)劑質(zhì)量。 主要輸出參數(shù)：各級發(fā)動機(jī)起飛質(zhì)量。,2020年10月7日星期三,52,氣動計(jì)算模型,計(jì)算內(nèi)容包括：縱向氣動特性參數(shù)、橫側(cè)向氣動特性參數(shù)、動導(dǎo)數(shù)特性，各子級在給定馬赫數(shù)下的阻力系數(shù)。 主要輸入?yún)?shù)：導(dǎo)彈總體參數(shù)中的直徑、發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)模型輸出參數(shù)中的燃燒室長度。 主要輸出參數(shù)：導(dǎo)彈各級特征面積、特征長度、彈頭長度、彈頭直徑、長細(xì)比。,2020年10月7日星期三,53,彈道計(jì)算模型,彈道計(jì)算是導(dǎo)彈系