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多学科设计优化方法及其在飞行器设计中的应用

作　者: 李响
导　师: 李为吉
学　校: 西北工业大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 多学科设计优化协同优化并行子空间优化响应面
分类号: V221
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

飞行器设计需要用到气动、结构、控制等诸多学科的知识,各学科自身已发展成独立的研究领域,内容博大精深。在进行设计时必须从全局出发,将各学科视为一个整体,考虑学科间的相互作用。因此飞行器设计面临着如何解决一个复杂、庞大的非线性优化问题,学科间复杂的信息联系以及天文数字般的计算量使得传统的优化方法在解决飞行器设计问题时显得无能为力。在此情况下,多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization, MDO)方法应运而生。本文主要研究了多学科优化算法及其在飞行器设计中的应用,具体如下: 1、建立起飞行器多学科设计优化的数学模型,根据学科间关系,提出三种基本类型的飞行器多学科设计优化问题,一般飞行器多学科设计优化都可以看作这三种基本类型的组合。分析了飞行器多学科设计优化所特有的概念及其物理意义,指出其与传统优化问题相比所面临的计算困难及信息组织困难,为后续研究指明了着力点。 2、总结并分析了多学科设计优化常用的一些工程近似算法,这些近似算法是构成一个完整的多学科设计优化算法的组成部分,而且这些算法本身也具有工程实用价值。 3、对协同优化算法作了深入研究,分析了协同优化的数学本质,指出由于协同优化独特的数学结构,其主要的计算困难在于如何构造有效的系统级协调优化的约束模型。引入带参数优化模型概念,分析了基于最优敏度信息的系统级约束构造算法。提出了一种新的研究协同优化的角度:从几何意义角度研究协同优化,并在此基础上构建了两种新的系统级协调算法:基于学科间动态不一致信息的超球子空间算法和线性近似子空间算法。 4、对并行子空间优化算法作了深入研究,分析了该算法的数学本质,指出在该算法中,对于学科级优化而言,其主要作用在于提供一个新的试验计算点而不是优化本身。根据这一思想,在原有的并行子空间优化算法的基础上引入均匀试验设计,提出了改进的并行子空间优化算法,改进后的算法与原有并行子空间优化算法相比,在保证精度的前提下,计算量更小,工程实用性更强。

全文目录

第1章绪论  9-19
  1.1 多学科设计优化方法的产生  9-11
  1.2 多学科设计优化的研究内容  11-14
  1.3 常用的多学科设计优化算法  14-17
    1.3.1 不分解算法  14-16
    1.3.2 分解算法  16-17
  1.4 本文的主要工作  17-19
第2章飞行器多学科设计优化问题的数学模型、分类及常用近似方法  19-47
  2.1 飞行器多学科设计优化问题的数学模型及概念  19-22
  2.2 飞行器多学科设计优化问题三种基本类型  22-26
    2.2.1 一型问题  23-24
    2.2.2 二型问题  24-25
    2.2.3 三型问题  25-26
  2.3 传统优化方法解决飞行器多学科设计优化时的困难  26-29
  2.4 多学科设计优化中常用近似方法  29-41
    2.4.1 求解一型耦合问题的方法  29-33
    2.4.2 复杂优化问题的简化求解方法  33-36
    2.4.3 响应面方法  36-41
  2.5 算例  41-47
    2.5.1 建立数学模型  42-43
    2.5.2 定点法求解该耦合问题  43-44
    2.5.3 利用响应面逼近该系统  44-47
第3章协同优化算法及改进  47-75
  3.1 协同优化的设计思想及数学模型  47-55
    3.1.1 协同优化的设计思想  47-48
    3.1.2 协同优化的数学模型  48-55
  3.2 带参数优化模型的协同优化算法  55-59
    3.2.1 带参数优化模型  55-56
    3.2.2 基于最优敏度的Taylor算法  56-57
    3.2.3 响应面算法  57-59
  3.3 基于几何意义的协同优化算法  59-66
    3.3.1 学科级优化的几何意义  60-61
    3.3.2 动态松弛算法  61-63
    3.3.3 线性近似子空间算法  63-66
  3.4 算例  66-75
    3.4.1 算例1  66-71
    3.4.2 算例2  71-75
第4章并行子空间优化算法及改进  75-101
  4.1 并行子空间优化算法概述  75-76
  4.2 并行子空间优化的算法框架及特点  76-83
    4.2.1 并行子空间优化的算法框架  76-80
    4.2.2 并行子空间优化算法的特点  80-81
    4.2.3 并行子空间优化与可变复杂性模型的比较  81-82
    4.2.4 并行子空间优化与协同优化的比较  82-83
  4.3 改进的并行子空间优化算法  83-92
    4.3.1 问题的提出  83-84
    4.3.2 均匀试验设计  84-88
    4.3.3 改进的并行子空间优化算法框架  88-91
    4.3.4 改进的并行子空间优化算法工程实用性分析  91-92
  4.4 算例及分析  92-101
    4.4.1 计算模型  92-93
    4.4.2 计算结果  93-97
    4.4.3 计算结果分析  97-101
第5章多学科设计优化方法在飞行器设计中的应用  101-133
  5.1 通用屹机总体参数优化  101-110
    5.1.1 数学模型  101-102
    5.1.2 学科分析  102-106
    5.1.3 多学科设计优化的数学描述及计算结果  106-110
  5.2 运输机机翼气动结构一体化设计  110-133
    5.2.1 运输机机翼模型的建立  111-119
    5.2.2 学科分析  119-123
    5.2.3 利用改进的并行子空间优化算法实现机翼气动结构一体化设计优化  123-133
第6章结束语  133-137
  6.1 工作总结  133-134
  6.2 几点体会  134-135
  6.3 对未来工作的展望  135-137
参考文献  137-143
致谢  143-144
攻读博士学位期间论文发表及课题研究情况  144-145
攻读博士学位期间获奖情况  145-146
西北工业大学学位论文知识产权声明书  146
西北工业大学学位论文原创性声明  146

多学科设计优化方法及其在飞行器设计中的应用

内容摘要

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