摘要：智能化重大装备(以下简称“智重装备”)的设计与优化是装备全生命周期中的重要环节,对于装备质量与系统性能提升具有重要意义。由于智重装备物理结构与控制系统间复杂的耦合关系,传统先结构设计再控制设计的串行顺序优化设计方法难以获得全局最优值。为此,本文提出一种结构与控制并行的多学科一体化优化设计方法来获取最优匹配的结构与控制参数。对智重装备的结构与控制一体化优化现状做出归纳总结。分别利用KKT条件与极小值原理证明了传统串行优化的不足以及多学科并行一体化设计方法的最优性,并给出常用的模型求解方法。以无人矿用挖掘机与无人堆取料机为对象,给出了结构与控制一体化优化方法在智重装备设计中具体应用方式。计算结果表明,提出的一体化优化方法比传统串行优化方法具有明显的优势,能够进一步提升智重装备的关键性能。

摘要：针对传统卫星总体和控制串行设计过程低效、设计性能受限、设计方案冗余等问题,提出了一种卫星总体与姿态控制一体化优化设计方法。在轨道、结构、电源、推进等多学科耦合的传统总体设计模型基础上,将面向应用任务过程的卫星姿态控制仿真嵌入卫星多学科分析过程中,实现卫星总体方案与姿态控制的耦合精确分析和整体任务效能的综合评估,在此基础上进一步实现总体和控制的一体优化。最后,以某对地观测敏捷卫星为对象开展方法应用研究,优化结果表明所提方法获得了比传统设计方法目标函数性能更优、冗余度更低的设计方案,验证了卫星总体与姿态控制一体化优化设计方法的可行性和有效性。

摘要：采用基于替代模型的渐进优化策略对二维高超声速前体/进气道进行一体化设计优化,采用拉丁超立方试验设计法选择样本点,采用二维粘性CFD方法计算进气道流场来建立样本数据库,综合运用了多项式响应面、Kriging模型、BP神经网络和径向基神经网络等替代模型.相对于基准构型,前体/进气道的优化构型在设计态时提高了流量捕获与来流压缩能力,提高了总压恢复性能,同时减小了阻力系数,综合性能提高了5.3%;在非设计态时优化构型的综合性能也有不同程度的改善.

摘要：为了对非壅塞固体冲压发动机性能进行充分优化,建立了相应的内外弹道一体化优化设计数学模型。首先构造了新的非壅塞固体冲压发动机性能预示框架。而后在此基础上,采用量子粒子群优化方法(quantum particle swarm optimization,QPSO),以巡航段和无动力下降段的总射程为优化目标,在满足推力约束的前提下,对冲压发动机的喷管喉径、进气道入口和喉部面积以及飞行攻角进行一体化优化。仿真结果表明:采用QPSO方法优化后的弹道射程较仅优化飞行攻角的方案提升18.65%,证明了一体化优化的有效性,为非壅塞固体冲压发动机的设计提供了理论基础。

摘要：研究了重型运载火箭轨迹/总体参数一体化优化问题。建立了一体化参数优化模型,设计了一种双环迭代优化算法,外环采用遗传算法进行参数优化,内环通过带自适应松弛因子的改进牛顿迭代法进行参数迭代。针对牛顿迭代法对模型本身及迭代初值敏感的问题,提出了一种模型变量筛选方法和迭代初值生成方法。基于Morris参数全局灵敏度分析法筛选出对终端等式约束影响最大的参数作为牛顿迭代变量,以历史迭代收敛值作为当前迭代初值。并通过迭代误差监控,保证了算法的鲁棒性。以三级液体重型运载火箭为对象,进行了一体化优化仿真。仿真结果显示起飞总质量减少了4.09%,表明设计的双环迭代优化算法能在复杂约束下完成重型运载火箭轨迹/总体参数一体化优化。

摘要：以废气涡轮增压器压气机叶轮为研究对象,创建了压气机叶片的三维参数化模型,通过全三维流场仿真分析,得到压气机的气动性能及叶片表面的压力分布。在不改变叶片形状、保证压气机气动性能的情况下,对叶片的静强度及振动特性进行了一体化优化设计。以叶片4个关键截面的叶顶、叶根厚度为设计变量,以离心力及气动压力作用下叶片的最大Mises应力、叶片的一阶动频为约束,以叶片体积为目标函数,在iSIGHT优化平台上集成了I-DEAS、ANSYS软件,采用混合整型优化和自适应模拟退火算法的组合优化方法,在满足叶片静强度小于屈服强度和一阶动频大于3倍工作频率的条件下,叶片体积(质量)减小了14.7%。

摘要：针对运营中常用的固定班制轮班模式,通过加入班次数量比例和备班约束,构建排班和轮班计划一体化的乘务计划优化模型,进行乘务组数的全局优化;之后对传统列生成求解算法进行改进,在定价子问题中分别针对不同班次类型,各自生成班次以适应新的模型约束,并设计加速策略,以完成对一体化优化模型的求解;最后以轮乘站设置不同的两条地铁线路为例开展案例研究,研究了在四班三运转和六班五运转班制下的优化效果,分析了算法的求解效率.研究结果表明:固定班制条件下,与分阶段优化方法相比,简化了轮班单元构成,乘务组数量减少了6.67%~14.29%,求解时间节约了44.2%~51.4%.

摘要：鉴于目前土木工程空间结构设计方法通常是先进行结构本身的性能设计、后进行振动控制的串行设计模式,这种设计模式没有充分利用两学科相互耦合产生的协同效应,因此本文运用一体化优化方法对三维钢筋混凝土结构/控制系统进行一体化设计:建立单向位移和扭转耦合的结构运动控制方程,利用LQR算法获得被动控制器的等效刚度和等效阻尼;建立钢筋混凝土结构与被动控制器的集成优化模型,设计变量包括建筑结构的尺寸及配筋率参数,被控控制器的数量和位置,优化目标为被动控制系统在时域内的最大位移;采用遗传算法处理结构/控制一体化优化问题。优化结果表明:结构与控制系统具有耦合相关性,本文所提方法具有良好的振动控制效果和经济性。

摘要：在传统双向渐进结构优化(BESO)方法基础上,充分考虑微观尺度和宏观尺度之间的相互耦合作用,通过等效弹性模量和灵敏度分析将复合材料微结构胞元设计和宏观结构拓扑优化相结合,建立周期性复合材料构型及结构一体化优化设计方法.为了消除"灰色区域",假设了材料微结构0-1属性及在宏观结构空间排列的均一性,提高了优化结果的实际工程适用性.相关算例说明该方法可以有效地在宏观结构优化的同时得到与之相对应的材料微观最佳拓扑形状,也为不同给定宏观结构的微观周期性复合材料设计提供了有效手段.

摘要：先分析了结构主动控制的模态控制。从结构与控制器一体化优化设计的角度出发 ,提出了以结构的质量和控制能量最小化为优化目标、以基频和结构的动响应为约束的联合优化设计模型。并对该优化设计模型进行了一定的简化处理 ,采用改进的拓扑组方法进行结构的集成拓扑优化设计。数值算例的结果表明 ,结构 /控制一体化优化设计是可行且有效的。