多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化算法及其在飛行器設(shè)計(jì)中應(yīng)用

王俊杰 付若涵 周懷遠(yuǎn)

摘要：飛機(jī)的總體設(shè)計(jì)難度更大，技術(shù)要求更高。因此為了確保飛機(jī)的整體性能，設(shè)計(jì)人員必須確定飛機(jī)的總體參數(shù)及其子系統(tǒng)的參數(shù)。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化算法是技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物，將多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化算法應(yīng)用于飛機(jī)設(shè)計(jì)可以有效降低飛機(jī)的生命周期成本。在本文中，我們分析了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化算法，并提出了將多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化算法應(yīng)用于飛機(jī)設(shè)計(jì)的策略，以幫助那些希望將多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化算法應(yīng)用于飛機(jī)設(shè)計(jì)的人們。

關(guān)鍵詞：多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化算法;重要性;應(yīng)用

前言

隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，多學(xué)科設(shè)計(jì)的優(yōu)化逐漸引起人們的注意。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化在促進(jìn)我國航空航天工業(yè)發(fā)展中發(fā)揮了非常重要的作用，已成為航空航天工作中的關(guān)鍵研究課題。

一、多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要性

通過不斷優(yōu)化過程，設(shè)計(jì)師對飛機(jī)設(shè)計(jì)的知識逐漸豐富，但設(shè)計(jì)自由度受到限制，因此這對飛機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)施加了更多限制。在設(shè)計(jì)過程中，可以更改許多其他關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，以更輕松地滿足飛機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，而飛機(jī)的基本設(shè)計(jì)只有在確定了飛機(jī)的總體布局后才能正式開始。在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)領(lǐng)域在飛機(jī)的設(shè)計(jì)中起著更為重要的作用。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段更加重視這三種傳統(tǒng)，以提高設(shè)計(jì)完成后飛機(jī)的裝卸質(zhì)量，使飛機(jī)更好地滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也需要注意飛機(jī)設(shè)計(jì)階段的飛行力學(xué)和控制問題。由于各個(gè)領(lǐng)域?qū)嶋H上起著不同的作用，因此很難優(yōu)化飛機(jī)的設(shè)計(jì)，為了確保設(shè)計(jì)期間的設(shè)計(jì)優(yōu)化，必須最大化發(fā)揮飛機(jī)設(shè)計(jì)中各個(gè)領(lǐng)域的優(yōu)勢。

在多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化算法的實(shí)際應(yīng)用過程中，可以將現(xiàn)有航空領(lǐng)域的空氣動力學(xué)，結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域綜合應(yīng)用到飛機(jī)設(shè)計(jì)中，也可以在多學(xué)科設(shè)計(jì)的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段使用。將周轉(zhuǎn)時(shí)間適當(dāng)?shù)靥砑拥礁拍钤O(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)階段，以便每個(gè)學(xué)科在飛機(jī)設(shè)計(jì)中都有其獨(dú)特的優(yōu)勢。同時(shí)在多學(xué)科設(shè)計(jì)課程中，必須滿足兩個(gè)要求：首先，在設(shè)計(jì)過程中，所有新信息的數(shù)據(jù)傳輸速率必須能夠保持在一定范圍內(nèi)，這樣這些數(shù)據(jù)可以快速傳遞與數(shù)據(jù)信息關(guān)聯(lián)的收件人。其次，如果設(shè)計(jì)變量發(fā)生更改，則應(yīng)該首次可以評估變量更改，減少對系統(tǒng)和各個(gè)學(xué)科的影響。在這兩個(gè)需求中，第一個(gè)可以通過圖形可視化完成，第二個(gè)必須基于合成分析和靈敏度分析來完成。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化提高了人腦與計(jì)算機(jī)之間協(xié)作的能力，使飛機(jī)設(shè)計(jì)變得更加容易。

二、多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化

通常，分析復(fù)雜系統(tǒng)的方法是將系統(tǒng)分為幾個(gè)子系統(tǒng)，而系統(tǒng)之間的作用機(jī)理是不同的。復(fù)雜的系統(tǒng)分為兩，一個(gè)是分層系統(tǒng)，另一個(gè)是非分層系統(tǒng)。分層系統(tǒng)下的子系統(tǒng)提供具有強(qiáng)序列的“樹”結(jié)構(gòu)，而非分層系統(tǒng)下的子系統(tǒng)提供具有關(guān)聯(lián)關(guān)系的“網(wǎng)”結(jié)構(gòu)。

從數(shù)學(xué)上講，它可以表示為：

尋找：X

最小化：f = f（X，y）

約束：hi（X，y）= 0（i = 1，2 ... m）gi（X，y）s0（j = 1，2，... n）

在非分層系統(tǒng)中，該算法必須迭代幾次才能完成，如果系統(tǒng)分析有針對X的解決方案，則可以獲取約束和目標(biāo)函數(shù)?？梢赃M(jìn)行定量信息交換，子系統(tǒng)之間的并行優(yōu)化和分析設(shè)計(jì)方案，減少計(jì)算時(shí)間的子系統(tǒng)和組織工程設(shè)計(jì)，得到全局優(yōu)化，同時(shí)也可以得到更多的解決方案。

三、多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化算法及應(yīng)用

1.單級優(yōu)化算法

單級優(yōu)化算法的系統(tǒng)級優(yōu)化算法主要用于低復(fù)雜度，低變量的目標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的單域優(yōu)化算法更為相似。受單步優(yōu)化算法的大量計(jì)算影響，飛機(jī)設(shè)計(jì)分析模型主要基于近似估計(jì)，而各學(xué)科之間的交互作用則較少反映?；谌朱`敏度方程的單階段優(yōu)化算法可以更好地了解整個(gè)飛機(jī)系統(tǒng)的靈敏度，并且每個(gè)子系統(tǒng)的靈敏度分析也可以并行執(zhí)行。

2.并行子空間優(yōu)化算法

并行子空間優(yōu)化算法包括基于全局靈敏度分析的優(yōu)化算法，基于全局靈敏度分析的優(yōu)化算法的改進(jìn)版本以及基于響應(yīng)面的優(yōu)化算法。在基于全局靈敏度的并行子空間優(yōu)化算法中，每個(gè)子系統(tǒng)彼此獨(dú)立，優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量也不同，系統(tǒng)設(shè)計(jì)變量是每個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變量的組合。該算法可有效減少計(jì)算量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，并保持原有系統(tǒng)的組合性。多學(xué)科的優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的初步設(shè)計(jì)中。但是，這種優(yōu)化算法有幾個(gè)缺點(diǎn)，并且由于不能完全保證收斂性，因此振蕩現(xiàn)象更為普遍。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)變量對子系統(tǒng)的廣泛影響降低了飛機(jī)的操縱性能和結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性?；陧憫?yīng)面的優(yōu)化算法不需要設(shè)計(jì)人員分析系統(tǒng)的靈敏度，該方法可以促進(jìn)對連續(xù)或離散混合變量的優(yōu)化，并有效地消除數(shù)值噪聲。在飛機(jī)設(shè)計(jì)中，該算法主要用于一般航天飛機(jī)和旋翼飛機(jī)的初步設(shè)計(jì)。其優(yōu)點(diǎn)是，獲得系統(tǒng)全局最優(yōu)解的可能性增加，并且系統(tǒng)分析的數(shù)量減少。但是，隨著設(shè)計(jì)變量和狀態(tài)變量y繼續(xù)增加，網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間也相應(yīng)增加。

3.協(xié)同優(yōu)化算法

協(xié)同優(yōu)化算法是創(chuàng)建由子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化計(jì)劃部分提供的目標(biāo)計(jì)劃。系統(tǒng)級別優(yōu)化的差異不明顯。Spes等人將CO算法應(yīng)用于飛機(jī)空氣動力學(xué)-結(jié)構(gòu)-性能的集成設(shè)計(jì)，Eppeal等人將CO算法擴(kuò)展到一個(gè)多用途優(yōu)化問題，并提出了一個(gè)多用途CO算法。這些應(yīng)用研究表明，CO算法不僅可以實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)，而且實(shí)際上可以找到更好的設(shè)計(jì)解決方案。根據(jù)許多計(jì)算示例表示，CO算法將顯著增加子系統(tǒng)分析的次數(shù)，因此總的計(jì)算量可能不會減少。

結(jié)束語

雖然國內(nèi)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化算法發(fā)展的越來越成熟，但仍然存在許多理論和實(shí)踐問題。當(dāng)前，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化算法已廣泛用于飛機(jī)設(shè)計(jì)的空氣動力學(xué)，性能，結(jié)構(gòu)和其他方面。總而言之，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的發(fā)展在我國航天工業(yè)的發(fā)展中起著非常重要的作用。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化不僅可以在設(shè)計(jì)過程中有效降低飛機(jī)的設(shè)計(jì)成本，還可以有效地處理相對復(fù)雜的航空系統(tǒng)。如此一旦進(jìn)行應(yīng)用，相信大多數(shù)航空航天從業(yè)者都會喜歡跨學(xué)科的設(shè)計(jì)優(yōu)化。同時(shí)我們也相信，越來越多的人認(rèn)識到在航空航天工程中多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要性，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的實(shí)際應(yīng)用將變得越來越完整。

參考文獻(xiàn)

[1]杜海，張瑞，崔德剛.航空領(lǐng)域多學(xué)科優(yōu)化系統(tǒng)[J]航空科學(xué)技術(shù)2018.29（08）：1-6。

[2]王金成，周玉芳，趙振杰.飛機(jī)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用[J]智能制造2018（1）：82-85。

[3]姜路佳，辛萬慶，卜相偉.如何處理導(dǎo)彈整體多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的耦合關(guān)系[J]導(dǎo)彈與航天技術(shù)，2009（06）

沈陽航空航天大學(xué) 遼寧沈陽 110136