摘要：为了在保证固体火箭可靠性的同时尽可能提高其运载能力,需要在方案设计阶段的多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization,MDO)过程中精确量化发动机推力曲线的不确定性。本文针对考虑不确定性的MDO过程中推力曲线的不确定性难以精确量化以及不确定性分析效率过低的问题,提出了一种精确代理建模方法。通过本征正交分解方法实现发动机推力曲线不确定性的降维表达;建立Kriging代理模型来预测降维后模态系数的前4阶统计矩;使用最大熵法建立模态系数的精确概率分布模型,进而得到推力曲线的精确分布。对星型装药发动机的推力不确定性建模结果表明,推力不确定性分布的预测置信度可达98%;单次不确定性分析时间相比蒙特卡洛方法缩短99.92%。

摘要：为建立高超声速飞行器多学科设计优化软件系统,研究了一种面向多学科设计优化的建模方法。通过分析系统分解带来的学科设计冲突,建立了两种多学科连续性条件。据此连续性条件,结合现有飞行器设计流程,提出了一套建立多学科设计优化模型的方法,包括系统分析模型和系统优化模型。针对高超声速飞行器方案设计,研究了包含弹道/控制、气动、超燃冲压发动机、结构、热保护系统等五个学科的多学科设计优化问题。采用所研究的多学科设计优化建模方法,构造了系统级模型,并在框架软件中按照此模型集成各学科软件,建立了高超声速飞行器多学科设计优化软件系统。

摘要：进行复杂工程系统的多学科问题设计时,构建理想的设计环境非常必要。从支持分析代码重用、方便集成复杂的设计问题、支持并行计算过程和设计过程监控等角度着手,开发了多学科设计优化集成环境--MD OF。通过运载火箭多学科优化设计实例分析,验证了MDOF集成复杂设计问题可行性。

摘要：针对火箭基组合动力(RBCC)可重复使用运载器(RLV)轨迹多段、多控制变量、推力与飞行轨迹耦合,飞行轨迹设计困难的问题,提出了基于高斯伪光谱方法的数值优化求解模型和求解方法,并获得满足要求的上升段燃料最省轨迹。将该轨迹分为3部分,分别由引射火箭、亚燃冲压和超燃冲压发动机提供动力,以攻角和燃料秒流量为控制变量,根据轨迹任务和各模态发动机启动及工作条件建立优化模型、设定各段末端和路径约束,利用高斯伪谱法求解最优轨迹并利用特殊方法计算边界控制变量。通过与传统方法所得轨迹的对比表明,所建立的优化模型和方法可快速求解出RBCC运载器上升段最优轨迹,优化结果符合RBCC运载器工作特点。

摘要：针对超燃冲压发动机宽马赫数、攻角范围内高性能工作要求,建立了基于试验设计方法和代理模型的可调尾喷管多目标优化设计方法,获得了尾喷管结构随马赫数和攻角变化的调节规律。以推力系数、升力系数和力矩系数为优化目标,以三次型线尾喷管为对象,采用遗传算法优化设计,得到Pareto最优解集;以一组Pareto最优解为基准在不同马赫数和攻角下进行尾喷管变结构设计优化,拟合得到尾喷管结构随马赫数和攻角的变化曲线。仿真结果显示了理论分析的正确性,并发现:变结构设计实现了尾喷管大范围高性能工作;尾喷管性能和几何参数,飞行状态参数均高度非线性,任一个改变都会影响其性能;采用试验设计方法和代理模型,能大大缩小优化设计时间,简化设计过程。

摘要：针对工程领域复杂设计对象的多学科设计优化问题,提出一种新颖的基于学科关系矩阵描述形式的通用多学科优化架构。定义学科关系矩阵代替设计结构矩阵,将学科耦合关系细化为学科之间与学科自身的输入/输出变量关系,从而实现对共享设计变量、学科设计变量、耦合变量的自动识别和耦合数据流的自动解析;依托学科关系矩阵,建立了通用的多学科优化架构,实现了多学科优化策略之间的自由转换和优化求解。通过常用的多学科优化策略对上述架构进行了分析和验证。测试算例表明,本架构具有多学科优化问题描述清晰、接口实现简单、建模过程自动化的优势。

摘要：针对复杂构型飞行器气动外形优化的几何描述和计算效率问题,提出了一种基于通用三维类别/形状函数变换参数化方法的两层设计空间气动外形优化策略。采用B样条函数代替Bernstein多项式进行展开并引入侧向轮廓描述函数,将原二维类别/形状函数向三维扩展,基于部件组合设计思想,建立了三维飞行器几何外形的完整描述形式。结合类别/形状函数和B样条函数的参数化特点,引入设计空间分层优化思想,将设计参数划分为全局尺寸参数和局部调整参数,在减少优化时间的同时尽可能地保持原设计空间复杂度。采用X-33高超声速飞行器作为建模和优化算例,结果表明,三维CST方法能以较少设计参数表达复杂外形,具有基础参数少,设计复杂度可调,外形表达能力强,参数化过程稳定的优势;两层气动外形优化策略具有良好的设计空间搜索能力,并可显著降低计算消耗。

摘要：针对亚轨道运载器总体设计多学科耦合的特点,从任务规划、学科建模、集成和求解策略等方面对多学科优化方法进行了研究。以助推亚轨道飞行器为对象,确定了学科模块组成、功能和数据耦合关系。建立了与总体设计过程相适应的7个学科模型,包括几何主模型、气动、推进、弹道、气动热、传热/热防护系统、结构。结合飞行器任务要求和基准方案,从系统级定义了多学科优化问题,包括目标函数、约束条件和设计变量。基于多学科软件框架集成学科模型,采用多学科可行法作为求解框架,建立了亚轨道飞行器多学科优化系统,选择SQP算法完成了以起飞总重为目标的优化。结果显示,优化后,发动机结构、热防护系统有所增加,但结构质量和燃油消耗减小,综合作用使总重减小2.4%,体现了多学科优化的协同作用。

摘要：针对当前复杂工业领域设计过程中存在的计算密集型黑箱优化问题,提出一种改进的动态模式跟踪抽样算法。算法基于线性样条函数进行全局近似,通过随机抽样过程产生逐步逼近全局最优区域的设计点,并利用二次响应面函数进行全局收敛判定。引入动态加速因子来增强算法的全局搜索能力和函数适应性,并采用改进的修正复相关系数进行动态加速因子更新和响应面拟合精度判定。标准测试函数表明,相比于遗传算法和模拟退火等启发式算法,动态模式跟踪抽样算法在减少目标函数评估次数和收敛成功率上均具有较大的优势。

摘要：针对超燃冲压发动机宽马赫数、攻角范围内高性能工作要求,建立了基于多目标优化的变结构进气道设计方法,获得了进气道结构随马赫数和攻角变化的调节规律。以总压恢复系数、压升比和阻力系数为优化目标,以二维混压式进气道为对象,采用遗传算法进行了基准进气道优化设计,得到Pareto非劣解;以一组Pareto非劣解为基准,在不同马赫数和攻角下进行了进气道变结构优化设计,拟合得到进气道结构随马赫数和攻角变化曲线。仿真结果证实了理论分析的正确性,并发现进气道变结构实现了发动机大范围内高性能工作;进气道高度可变,使得发动机在亚燃和超燃模态均能正常起动和稳定工作;以高马赫数作为设计马赫数,变结构设计后,发动机性能提高。