第六章飞机总体参数优化

第六章飞机总体参数优化

6.1 飞机总体参数的多学科设计优 化 • 6.1.1多学科设计优化的基本概念飞机总体设计是一个复杂的系统工程，覆盖了多个学科的内容，例如空气动力学、结构学，推进理论，控制论等。多学科设计优化是一种解决大型复杂工程系统设计过程中耦合与权衡问题，同时对整个工程进行综合优化设计的有效方法。

多学科设计优化（Multidisciplinary Design Optimization）是一种解决大型复杂工程系统设计过程中耦合与权衡问题，同时对整个工程进行综合优化设计的有效方法。

多学科设计优化技术有下列特点 • 1 通过对整个系统的优化设计解决不同学科间权衡问题，给出整个系统的最优设计方案，提高设计质量。 • 2 通过直接或间接的数值计算方法解决各学科之间的耦合问题，容易获得各学科之间协调一致的设计，消除了过去依靠经验试凑迭代计算解决耦合问题。 • 3 通过系统分解使计算并行化成为可能，通过计算机网络将分散在不同地区和设计部门的计算模块和专家组织起来，实现并行设计，使系统的综合优化设计变得简单。 • 4 通过近似技术和可变复杂性模型的分析方法，减少系统分析次数，提高设计优化效率。 • 5通过系统和各子系统数学模型的模块化以及它们之间有效的通讯及其组织形式，使各学科各计算模块之间数据传输量和所需附加操作尽可能少。

多学科优化的算法 • 多学科优化（MOD）算法可归纳为三大类：单级优化算法、并行子空间优化算法和协作优化算法。

6.1.2 协同优化（Collaborative Optimization） 协同优化将优化设计问题分为两级：一个系统级和并行的多个学科级。

协同优化算法框架图

6.1.3 并行子空间优化（Concurrent Subspace Optimization） • 并行子空间优化算法将设计优化问题分解为若干个学科级优化问题和一个系统级优化问题。在学科级（子空间）优化中，本学科的状态变量计算通过该学科的精确模型来获取，所涉及的其它学科的状态变量计算通过某种近似模型来得到。各学科优化计算相互独立，可并行进行，因此称为并行子空间优化算法。

并行子空间优化算法框架图

6.1.4 某通用航空飞机总体参数优化 1. 飞机总体参数优化问题，以飞机总重最小为目标，要求满足航程和失速速度的约束要求，即：航程必须大于允许的最小航程；失速速度不得超过允许的最大失速速度，以便获得较好的失速特性。

2.在飞机设计过程中，一般将气动、结构和性能等列为单独的学科进行分析和计算。2.在飞机设计过程中，一般将气动、结构和性能等列为单独的学科进行分析和计算。

3.该设计问题涉及到三个学科：气动分析学科、重量分析学科和性能分析学科。各学科3.该设计问题涉及到三个学科：气动分析学科、重量分析学科和性能分析学科。各学科的信息交流如图6.3 所示：

4. 各学科内部的信息流(如图6.4 所示)：

5. 系统级和学科级的优化模型 • 系统级优化模型：

气动学科优化模型：

重量学科优化模型： 重量学科存在内部耦合关系，需要通过迭代分析求出状态变量（ WE 和Wdg ）的精确值。WE的计算依赖于气动学科的LD，因此该学科的不确定性来自于LD 的近似信息。

性能学科优化模型： 式中：“~”表示响应面构造的其他相关学科的近似模型，“RSM”代表响应面，不标注者为精确模型。

6.2 面向系统设计的方法 • 现代飞机设计是一个极复杂的系统工程，决定了飞机设计方法是建立和研究大型复杂系统的功能性规律最一般的描述及对其进行分析和综合的方法。

6.2.1 现代飞机设计特点 • 作为设计对象的现代飞机是一个极复杂的工程系统，具有高度的层次结构无论是军用飞机还是民用飞机，都是由机体平台、动力系统、机载设备、控制系统等构成的。飞机的各系统是相互联系和互相制约的。

飞机设计的任务是确定飞机的布局、结构和其他各组成部分。飞机设计是一个复杂的多阶段的过程，同时也是一个反复迭代、逐渐接近给定或最优的过程，其设计过程框图6.5如下：飞机设计的任务是确定飞机的布局、结构和其他各组成部分。飞机设计是一个复杂的多阶段的过程，同时也是一个反复迭代、逐渐接近给定或最优的过程，其设计过程框图6.5如下：

飞机设计过程图

此框图的实质是在对各种备选设计方案多次重复分析的基础上实现对新的技术目标的综合。设计过程中的优化有双重作用：保证从所研究的许多方案中作出最优的决策；保证在抉择方案内确定设计参数最有利的组合。此框图的实质是在对各种备选设计方案多次重复分析的基础上实现对新的技术目标的综合。设计过程中的优化有双重作用：保证从所研究的许多方案中作出最优的决策；保证在抉择方案内确定设计参数最有利的组合。

6.2.2 面向系统设计的方法 • 面向系统的设计方法是在充分考虑影响系统完成任务和达到指定目标的所有因素基础上对系统进行研究。以数学模型为基础，系统设计的问题可归结为：总的目标函数在多种约束条件下的优化问题。

数学模型的建立从对设计对象的形式描述开始。在一般的情况下，设计对象靠其模型表达出其概念。为此一开始要找出合适的参数，使其能对模型分析的结果产生实质性的影响。这是设计工作带有创造性的十分重要的阶段。数学模型的建立从对设计对象的形式描述开始。在一般的情况下，设计对象靠其模型表达出其概念。为此一开始要找出合适的参数，使其能对模型分析的结果产生实质性的影响。这是设计工作带有创造性的十分重要的阶段。

在飞机论证设计阶段，数学模型的作用特别大，基本上是采用有效性模型和经济性模型来描述大量的各个系统和组成部分的功能。飞机作为整个航空系统中的一员其数学模型可视为参数化的“点”模型，此时的飞机设计为面向工程的设计。在飞机论证设计阶段，数学模型的作用特别大，基本上是采用有效性模型和经济性模型来描述大量的各个系统和组成部分的功能。飞机作为整个航空系统中的一员其数学模型可视为参数化的“点”模型，此时的飞机设计为面向工程的设计。 • 在飞机初步设计和详细设计阶段所使用的模型则不同，应尽量详细和完备地考虑影响选择设计方案的各种因素。这时的数学模型可视为参数化的“实体”模型，飞机设计为面向产品的设计。

根据飞机性能和参数的关系，可将反映其结构和功能的不同方面分组，组成一系列的子模型，主要有：根据飞机性能和参数的关系，可将反映其结构和功能的不同方面分组，组成一系列的子模型，主要有： • 1）几何模型，描述飞机参数和其外形及尺寸特性之间的关系。这一模型也称之为统一数模。 • 2）重量模型，统一描述飞机几何形状与结构承力系统、飞机构造与设备布置、飞机装载情况与全机及各部件重量之间的关系。

3）气动模型，描述飞机的几何特性和气动力特性（各种飞行状态下的气动阻力、升力、力矩以及力和力矩系数）之间的关系。 • 4）动力装置模型，描述在各种飞行状态下，发动机的尺寸、布置和推力及耗油率之间的关系。 • 5）飞行动力学模型，描述飞机的飞行性能和机动性能（速度范围、航程、爬升率、升限、过载等）与飞机的气动力、重量特性和动力装置特性之间的关系。

6）飞行操稳与控制模型，描述飞机的几何特性、重量特性（惯性）、气动力特性与操纵性、稳定性和控制系统之间的关系。 • 7）强度模型，描述飞机的气动载荷、重量和几何特性与飞机承力结构的强度特性、应力水平和变形大小之间的关系。现广泛采用的是有限元模型FEM。 • 8）经济性模型，表示飞机的技术参数与其设计、生产和使用的费用之间的关系。

有了完全能够反映实际对象的模型，就可以解决寻找可行的或最优的目标设计参数。有了完全能够反映实际对象的模型，就可以解决寻找可行的或最优的目标设计参数。对于求目标函数极值的优化问题，其数学模型的一般表达式为：

在上述目标函数的最优化过程中，q=1 为单目标优化问题，q>1 为多目标优化问题。在多目标优化方法中，由于各目标优化对设计变量的要求往往是互相矛盾的，这就需要进行协调，以便取得一个对于各目标函数都比较好的最佳方案。

6.2.3 面向系统设计的评价准则与评 估方法 • 评价准则的选择是系统设计工作最主要的组成部分。每当对设计方案进行评定或要从若干方案中选定某一方案时都要有评价准则。不仅飞机性能和参数量值的确定，而且所设计和制造出来的飞机的未来发展都要依赖于评价准则的正确运用。

有关飞机设计的通用评价准则的基本要求简述如下：有关飞机设计的通用评价准则的基本要求简述如下： • 1) 准则应该是可以度量的值，计算方法应是已知的； • 2) 准则应考虑设计对象的基本目的，同时也要考虑使用条件和限制； • 3) 准则应包括必须进行评价或优化的参数和性能； • 4) 必须使在不同层次上（各设计阶段）选择方案的准则不能有矛盾； • 5) 最好对各设计阶段都是同一个准则。

决策过程必须遵循最优化的原理：如果所有层次的各组成部分和子系统，对应于更高层次的准则是最优的，则整个系统最优。以上过程的层次结构如下图所示。

多准则决策的层次结构

运筹学中的层次分析法AHP（Analytic Hierarchy Process）是广泛应用于此类问题的方法。AHP 法充分体现了人的大脑思维的基本方法——分析和综合。

第六章 飞机总体参数优化