飞机总体多学科设计优化的现状与发展方向_余雄庆
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飞机设计的多学科优化方法研究飞机设计是复杂且高度技术化的领域,需要权衡多种因素,包括空气动力学、结构力学、推进系统、材料科学等。
随着科技的发展,多学科优化方法在飞机设计中的应用越来越广泛。
本文将介绍多学科优化方法在飞机设计中的应用,以及未来的发展趋势。
自飞机发明以来,人类一直在不断优化飞机的设计。
传统的设计方法通常单个学科,如空气动力学或结构力学。
然而,随着科技的发展,飞机设计需要权衡更多的学科,如推进系统、材料科学、电子系统等。
多学科优化方法应运而生,旨在将多个学科的因素纳入优化框架,以实现更高效的飞机设计。
多学科优化方法有多种,包括多目标优化、随机优化、约束优化等。
在飞机设计中,这些方法的应用具体如下:多目标优化:多目标优化方法用于同时优化多个目标函数。
例如,在飞机设计中,设计师可能需要同时优化飞行速度、油耗、噪音水平等多个目标。
多目标优化方法可以通过将多个目标函数集成到一个框架中,帮助设计师找到最优解。
随机优化:随机优化方法用于处理具有不确定性的优化问题。
在飞机设计中,一些参数可能具有不确定性,如气象条件、材料特性等。
随机优化方法可以通过引入不确定性因素,帮助设计师找到在各种不确定性条件下都能表现良好的设计方案。
约束优化:约束优化方法用于处理具有约束条件的优化问题。
在飞机设计中,设计师可能需要满足一些约束条件,如结构强度、稳定性等。
约束优化方法可以帮助设计师在满足约束条件的前提下,找到最优的设计方案。
协同设计是一种强调多学科协同工作的设计方法。
在飞机设计中,协同设计的重要性不言而喻。
通过运用多学科优化方法,设计师可以实现对飞机设计的整体优化,从而提高飞机的整体性能。
例如,通过将空气动力学和结构力学两个学科结合起来进行优化,可以降低飞机阻力并提高结构效率;通过将推进系统和航电系统两个学科结合起来进行优化,可以提高飞机的动力和导航性能。
随着科技的不断发展,飞机设计将面临更多的挑战和机遇。
多学科优化方法在飞机设计中的应用将更加广泛,未来的发展趋势可能包括以下几个方面:更加复杂的设计模型:未来的飞机设计将更加依赖于复杂的模型,如数字模型和仿真模型等。
航空器设计中的多学科优化方法在现代航空领域,航空器的设计是一项极其复杂且综合性极强的工程任务。
它不仅仅涉及到空气动力学、结构力学、材料科学等传统学科,还与电子工程、控制系统、制造工艺等多个领域紧密相连。
为了在众多的设计变量和约束条件下获得性能卓越、经济高效、安全可靠的航空器,多学科优化方法应运而生,并逐渐成为了航空器设计的关键技术之一。
多学科优化方法的核心思想是在设计过程中充分考虑各个学科之间的相互作用和耦合关系,通过协同优化各个学科的性能指标,实现整体设计的最优解。
与传统的单学科设计方法相比,多学科优化方法能够更有效地挖掘设计潜力,避免了局部最优解带来的局限性。
在航空器设计中,空气动力学是一个至关重要的学科。
飞机的外形设计直接影响着其飞行性能,如升力、阻力、稳定性和操纵性等。
通过运用计算流体力学(CFD)技术,可以对不同的外形方案进行数值模拟和分析,从而获得最优的气动外形。
然而,单纯追求气动性能的最优并不一定能得到理想的设计结果。
例如,过于追求低阻力的外形可能会导致结构强度不足或者内部空间受限。
结构力学在航空器设计中同样起着举足轻重的作用。
飞机的结构需要承受飞行过程中的各种载荷,包括重力、空气动力、发动机推力等。
因此,结构的强度、刚度和重量是设计中需要重点关注的因素。
采用先进的有限元分析(FEA)方法,可以对飞机的结构进行精确的力学分析和优化设计,在保证结构安全的前提下,尽量减轻重量,提高结构效率。
材料科学的发展也为航空器设计带来了新的机遇和挑战。
新型材料如复合材料具有优异的力学性能和减重效果,但它们的使用也需要考虑到制造工艺、成本和可靠性等因素。
在多学科优化过程中,需要综合权衡材料的性能、成本和可加工性,选择最适合的材料方案。
电子工程和控制系统在现代航空器中扮演着越来越重要的角色。
先进的航电系统、飞行控制系统和导航系统不仅能够提高飞行的安全性和舒适性,还能够优化飞行性能。
在设计过程中,需要将这些系统与航空器的气动、结构等方面进行协同优化,以实现整体性能的提升。
航空航天系统的多学科优化设计在当今科技飞速发展的时代,航空航天领域取得了令人瞩目的成就。
从翱翔蓝天的飞机到探索宇宙的航天器,这些伟大的工程奇迹背后,都离不开先进的设计理念和技术。
其中,多学科优化设计(Multidisciplinary Design Optimization,简称 MDO)扮演着至关重要的角色。
航空航天系统是一个极其复杂的综合体,涉及到众多学科领域,如空气动力学、结构力学、推进系统、控制工程、材料科学等等。
传统的设计方法往往是将这些学科分别进行考虑和优化,然后再进行整合。
然而,这种串行的设计流程存在着诸多局限性,容易导致设计方案的局部最优而非全局最优,同时也增加了设计周期和成本。
多学科优化设计则是一种将多个学科有机整合,同时进行优化的设计方法。
它的核心思想是在设计的早期阶段就充分考虑各个学科之间的相互影响和耦合关系,从而实现系统整体性能的最优。
在航空航天系统中,空气动力学是一个关键学科。
飞机或航天器的外形设计直接影响着其飞行性能,如升力、阻力、稳定性等。
通过多学科优化设计,可以将空气动力学与结构力学相结合。
在优化外形以减少阻力的同时,确保结构能够承受飞行过程中的各种载荷,避免出现强度不足或过度重量的问题。
结构力学对于航空航天系统的安全性和可靠性至关重要。
在多学科优化中,不仅要考虑结构的强度和刚度,还要考虑其振动特性、疲劳寿命等因素。
同时,要与其他学科协同,以在满足性能要求的前提下,尽量减轻结构重量,提高燃油效率或增加有效载荷。
推进系统也是航空航天系统中的重要组成部分。
对于飞机来说,发动机的性能直接影响着飞行速度、航程和燃油消耗;对于航天器,推进系统的效率则决定了其轨道转移能力和任务执行的可行性。
在多学科优化中,需要将推进系统与其他学科进行综合考虑,例如优化飞行器的外形以减少进气阻力,提高发动机的进气效率,或者根据飞行任务和轨道需求来选择合适的推进技术和燃料。
控制工程在航空航天系统中起着至关重要的作用。
航空器的多学科设计方法研究在现代航空领域,航空器的设计不再是单一学科的任务,而是涉及多个学科领域的复杂系统工程。
多学科设计方法的应用成为提高航空器性能、可靠性和经济性的关键。
本文将深入探讨航空器的多学科设计方法,包括其概念、特点、应用以及面临的挑战。
一、多学科设计方法的概念多学科设计方法是一种综合考虑多个学科领域知识和技术的设计理念和方法。
在航空器设计中,这些学科包括空气动力学、结构力学、材料科学、控制工程、航空电子、热力学等。
通过将这些学科的模型和分析方法有机地结合起来,实现对航空器性能的全面优化。
传统的设计方法往往是串行的,即一个学科完成设计后再将结果传递给下一个学科。
这种方法容易导致设计过程中的反复和修改,延长设计周期,增加成本。
而多学科设计方法强调各学科之间的并行和协同,从设计的早期阶段就考虑多个学科的相互影响,从而提高设计效率和质量。
二、多学科设计方法的特点1、综合性多学科设计方法能够综合考虑航空器在不同工况下的多种性能指标,如飞行性能、结构强度、燃油效率、噪声控制等。
通过对这些指标的综合优化,实现航空器整体性能的提升。
2、并行性各学科的设计工作同时进行,通过有效的信息交流和协调机制,及时解决学科之间的冲突和矛盾,避免设计过程中的反复和延误。
3、不确定性处理在实际设计中,存在着各种不确定性因素,如材料性能的波动、制造误差、飞行环境的变化等。
多学科设计方法能够有效地处理这些不确定性,提高设计的可靠性和鲁棒性。
4、优化性通过建立数学模型和优化算法,寻找在满足各种约束条件下的最优设计方案,实现设计的最优化。
三、多学科设计方法的应用1、飞机总体设计在飞机的总体设计阶段,需要综合考虑飞机的外形、结构布局、动力系统等因素。
多学科设计方法可以帮助设计师在早期就确定最优的总体方案,减少后期的修改和调整。
例如,通过空气动力学分析优化飞机的外形,降低飞行阻力;同时结合结构力学分析,确保结构强度和刚度满足要求;再根据动力系统的性能和燃油消耗,选择合适的发动机类型和安装位置。
飞机设计新技术——多学科设计优化
余雄庆
【期刊名称】《航空科学技术》
【年(卷),期】1999(000)001
【摘要】本文概述飞机多学科设计优化技术的意义、内容,介绍国外多学科设计优化学科设计优化研究状况,阐述多学科设计优化与并行工程的关系。
提出了基于网络的飞机多学科设计优化计算机环境的思想。
【总页数】3页(P19-21)
【作者】余雄庆
【作者单位】南京航空航天大学
【正文语种】中文
【中图分类】V22
【相关文献】
1.飞机设计与制造工程的新技术新方法 [J], 赵新力
2.面向经济性的商用飞机设计方法及其在新技术评估中的应用 [J], 赵楠;宋文滨
3.多学科设计优化方法在飞机设计中的应用研究 [J], 邹宁;冯文梁;滕杰;周伟
4.多学科设计优化及其在飞机设计中的应用 [J], 孙侠生
5.多学科设计优化技术在飞机设计中的应用初探 [J], 唐小洁;李元林;吴贻君
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多学科优化设计在航空航天领域的应用及发展李 哲(国防科学技术大学人文管理学院,长沙 410073)马忠辉(北京宇航系统工程研究所,北京 100076)摘 要 多学科优化设计是世界各国工业设计界新兴的研究领域。
文章对多学科优化设计的主要基本理论、应用研究及发展进行了综述分析。
优化算法是多学科优化设计的重要内容,文章对此进行了介绍,并对多学科优化设计中涉及的软件开发及集成设计框架、软件结构管理的研究成果及研究动态进行了分析。
总结并对比分析了多学科优化设计在航空航天领域的几个典型应用及其特点,并将多学科优化设计与计算机集成制造系统的研究与发展的关系进行评述。
关键词 多学科优化设计 信息集成 工程设计 算法 计算机集成制造系统中图分类号: T B21 文献标识码:A 文章编号:1009-8518(2004)03-0065-06Study and Development of Multidisciplinary Design OptimizationLi Zhe(National University of Defense T echnology ,Changsha 410073)Ma Zhonghui(China Academy of Launch Vehicle T echnology System Engineering Division ,Beijing 100076)Abstract Multidisciplinary design optimization is a new field within engineering design all over the w orld 1In this paper ,the current status and development of s ome basic theories ,such as optimization alg orithm ,framew ork and s oftware configuration management ,are introduced 1S ome representative applications of MDO in aircraft and reusable launch vehi 2cle are presented 1The relationship between CI MS and MDO is discussed 1K ey Words Multidisciplinary design optimization In formation integration Ag orithm C om puter integrated man 2u facturing system Engineering design收稿日期:2004-05-301 引言航空航天领域的设计,如飞机、导弹等都涉及到气动、结构、控制、发动机等很多学科,而传统的串行设计方式的最大弊端在于它人为的割裂了各学科之间的相互作用,并没有利用各学科之间相互影响产生的协同效应。
高效能飞机设计中的多学科优化与性能分析技术研究摘要:随着航空工业的发展和航空需求的增加,设计高效能飞机成为一个重要的挑战。
为了满足复杂的性能和运行要求,需要应用多学科优化与性能分析技术。
本文主要介绍了多学科优化与性能分析技术在高效能飞机设计中的应用,包括多学科协同设计、性能模型建立与验证、以及多属性决策等方面。
1. 引言高效能飞机的设计是航空工业的核心任务之一。
在设计高效能飞机时,需要考虑到多种各个方面的因素,如飞行性能、结构优化、燃油效率、环境影响等。
这些因素之间存在着相互的制约关系和交互作用。
传统的飞机设计方法往往是以单学科为基础,各个学科之间缺乏有效的协同与交流。
因此,引入多学科优化与性能分析技术成为解决这一问题的关键。
2. 多学科协同设计多学科协同设计是指在飞机设计过程中各个学科之间紧密合作、相互协调的过程。
通过建立一种全面的设计框架,实现不同学科之间的信息共享和交流,提高整体设计效果。
多学科协同设计的关键在于建立准确的学科模型和信息集成平台。
通过建立学科模型,可以对各个学科的性能进行分析和优化,进而指导总体设计的决策过程。
3. 性能模型建立与验证性能模型是多学科优化与分析的关键组成部分。
它提供了进行多学科优化的基础。
性能模型主要是通过对各个学科进行建模,并将其集成为一个综合模型。
这个综合模型可以对整个飞机的性能进行综合分析和优化。
在建立性能模型时,需要考虑到各个学科之间的相互作用,保证模型的准确性和可靠性。
验证性能模型是为了确保模型的准确性和可靠性,采用各种实验和测试手段对模型进行验证。
只有通过验证,才能保证模型的可靠性。
4. 多属性决策在高效能飞机的设计中,通常需要考虑到多个属性,并进行权衡和决策。
多属性决策是指在设计过程中,基于不同属性之间的优先级和制约关系,确定最优的设计方案。
围绕多属性决策,可以采用各种多目标优化、多属性评估和多准则决策方法。
通过这些方法,可以将复杂的设计问题拆解为多个相对独立的子问题,并在保证整体一致性的基础上进行综合决策。
第40卷第4期2008年8月 南 京 航 空 航 天 大 学 学 报Journal of N anjing U niversity of Aero nautics &Astronautics V ol.40N o.4 A ug.2008飞机总体多学科设计优化的现状与发展方向余雄庆(南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室,南京,210016)摘要:通过对飞机总体多学科设计优化(M ultidisciplinary design optimizatio n ,M D O )研究进展的分析,为飞机总体M D O 进一步研究和应用提供基础。
首先阐述飞机总体M DO 与传统飞机总体参数优化的区别,然后介绍M DO 领域中重要成果,包括代理模型技术、多学科敏度分析、M DO 策略和M DO 环境。
着重分析飞机总体M DO 的关键技术及其实现途径,包括飞机总体M D O 流程、参数化飞机几何模型、分析模型的自动生成、耦合关系分析与表示、数据交换与数据管理和M DO 环境的建立。
指出面向一体化产品开发团队的M DO 、基于不确定性的M D O 和面向飞机族的M DO 是飞机总体M DO 研究的3个新的研究方向。
飞机总体M DO 使飞机总体设计过程更加科学化和自动化。
关键词:飞行器设计;多学科设计优化;优化中图分类号:V 221 文献标识码:A 文章编号:1005-2615(2008)04-0417-10 基金项目:航空科学基金(00B52017)资助项目;国家自然科学基金(90305004)资助项目;武器装备预研基金资助项目。
收稿日期:2007-10-10;修订日期:2007-12-03 作者简介:余雄庆,男,教授,博士生导师,1965年5月生,E -mail :y x q @nuaa .edu .cn 。
Multidisciplinary Design Optimization for Aircraft Conceptualand Preliminary Design :Status and DirectionsYu X iongqing(K ey Labo rat or y o f Fundamental Science for Nat ional Defense-A dv anced Desig n T echno lo gy of F light Vehicle,N anjing U niver sity of A ero naut ics &A stro naut ics ,N anjing ,210016,China )Abstract :The state-of-the-art in the multidisciplinar y desig n optimization (M DO)for aircraft conceptual and preliminary design is review ed.T his paper prov ides a basis for one in understanding M DO,further research and applicatio ns of M DO to aircr aft conceptual and pr eliminary design .The differences betw een M DO and traditional optim izatio n techniques in air craft desig n are presented.T he co mmo n issues in M DO are rev iew ed,including sur rogate m odels,sensitivity of coupled systems,MDO methods,and M DO computational enviro nm ent .T he emphases ar e o n the key enabling techno logies in aircraft M DO ,including the strategies of M DO application in aircraft design ,a par am etric aircr aft CAD modeling ,au-to matic generations of analysis models,coupling analysis,and expression am ong disciplines,data tr ans-fer and management,and distributed computing framew ork.The nex t frontiers in MDO for aircraft de-sign ar e MDO fo r integr ated pro duct teams (IPT ),M DO under uncer tainty ,and MDO fo r aircraft fam i-ly.T he im pact of M DO in aircraft prelim inary design is that the design process is m ore scientific and au-to matic.Key words :aircr aft design ;m ultidisciplinary desig n optim ization ;optim ization 飞机总体设计涉及气动、推进系统、飞行动力学、结构、重量重心、隐身和成本分析等多个学科。
为了缩短飞机总体设计周期,并能获得更优方案,人们在20世纪60年代中期就开始将计算机技术和优化方法应用于飞机总体设计[1-2],由此形成了飞机总体参数优化这一研究方向。
在随后的20多年中,这一研究方向倍受关注,发表了大量的文献[3-4],开发了许多飞机总体参数优化程序系统[3,5]。
但与此同时,人们也开始逐渐认识到这些飞机总体参数优化程序的缺陷。
这些程序中的几何、气动、重量、性能和推进系统等计算模型大多采用了统计数据、工程估算或经验公式,计算精度低,导致优化出的方案可信度较低。
而且,这些程序也很难应用于新概念飞机或采用了新技术的飞机。
因为对于新型飞机,这些工程估算或经验公式未必适用。
还有,在飞机总体参数优化程序系统中,各学科分析模块被集成在一个统一程序中,不利于各学科人员更新各学科分析模块。
因此,工业界希望有一种新的优化设计模式取代现有的飞机总体参数优化程序系统[6]。
另一方面,随着计算流体力学、结构有限元方法、飞行动力学仿真、计算电磁学等各学科数值模拟技术的不断发展和深入,已经可以不赖于统计数据和经验公式,对各种飞机进行比较可靠的数值仿真。
在计算机科学领域,高性能计算机、并行计算、网络技术、分布式计算和数据库技术的迅猛发展也为各学科高精度数值模拟和数据交换提供了技术基础。
在上述背景下,90年代初美国AIAA正式率先提出了多学科设计优化M DO(Multidisciplinary desig n optim ization)这一研究领域[6]。
按照NASA 对M DO的一般定义:MDO是一种通过充分探索和利用系统中相互作用的协同机制来设计复杂系统和子系统的方法论。
针对飞机这个系统而言,作者认为飞机总体MDO的含义是:基于MDO理念,将各学科的高精度分析模型和优化技术有机地集成起来,寻找最佳总体方案的一种设计方法。
它与传统的飞机总体参数优化主要区别是:(1)分析模型中采用各学科已发展成熟的数值分析模型,计算精度较高,从而可提高总体设计优化的可信度;(2)不依赖统计数据或经验公式,可用于新型飞机总体设计;(3)通过研究各学科(或子系统)之间的耦合关系,获得总体最优解;(4)通过应用先进的分布式计算技术,集成各学科分析模型和优化技术,整个系统是一种分布式的、模块化的结构。
近十几年来,飞机总体M DO在美欧航空业发达国家非常重视,政府部门资助了一系列飞行器M DO的研究计划。
1994年以来,在NASA资助下,大学的研究人员对有关高速民机M DO问题进行了较广泛的研究[7-8],NASA与工业界合作研制了高速民机多学科设计优化系统HSCT[9]。
虽然高速民机项目已经终止,但有关研究推动了飞机总体M DO的发展。
随后NASA又启动了先进工程环境项目(Advanced engineering environment, AEE)[10],旨在为新一代可重复使用空间飞行器的概念设计提供一个协同设计环境。
90年代末,欧洲实施了为期3年的多学科设计优化研究计划[11],其主要目的是在分布式环境下集成各学科的软件,探索一种设计复杂航空产品的方法和工具。
他们以翼身融合体布局的客机为研究对象,初步研制了一个面向飞机总体设计的原型系统——计算设计引擎CDE(Co mputatio nal design eng ine)。
最近,在欧盟第六框架下,欧盟针对2020年航空工业的发展趋势,正在进行VIVAC项目[12](Value improvement through a virtual aero nautical collaborativ e enter-prise),旨在为飞机和发动机设计提供先进的虚拟协同设计环境。
在工业界,企业为了提高自身竞争力,积极开展了飞机总体M DO的开发工作。
例如,波音公司开发了基于高精度分析模型的飞机M DO系统——M DOPT[13],洛克希德公司研制了飞机快速概念RCD(Rapid conceptual design)[14]。
在学术界,大学等研究机构对M DO基础研究也非常重视,研究内容涉及M DO策略、面向多学科的分析方法、M DO计算环境等方面。
对M DO的广泛需求也刺激了M DO商用软件的开发[15-17]。
M DO为飞机总体设计提供了一种新方法,同时也提出了新的课题和新的挑战。
研究和开发飞机总体MDO,必须首先了解M DO的内容和方法,然后针对具体的飞机总体设计问题,解决其关键问题。
下文首先对M DO基础研究的若干进展进行归纳和总结,然后针对飞机总体MDO,阐述关键技术,分析其研究现状。
另外从飞机总体设计实际需求出发,指出了飞机总体M DO的研究方向。
最后总结MDO对飞机总体设计的影响。
1 MDO内容和方法对于多学科设计优化问题,由于涉及多门学科,且各学科之间存在耦合效应,整个系统分析模型的计算量要比单学科优化大得多,各学科之间的数据传递与管理也复杂得多。