多学科设计优化技术在飞行器总体设计领域的应用

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1、多学科设计优化技术在飞行器总体设计领域的应用王家庆孙建勋于红艳陈建江1多学科设计优化1.1基本概念多学科设计优化技术(MultidisciplinaryDesignOptimization,简称MDO)是20世纪90年代在国外迅速发展起来的、用于解决大规模复杂工程系统设计过程中多个学科耦合问题和权衡问题的一种新的设计方法;它通过充分探索和利用工程系统中相互作用和协同机制,考虑各个学科之间的相互作用,从系统的角度优化设计复杂的工程系统。美国国家航空航天局(NASA)对其的定义是:MDO是一种充分探索和利用系统中相互作用的协同机制来设计复杂工程系统和子系统的方法论。1.2基本思想

2、及优点MDO是一种设计方法学,其基本思想是在复杂系统设计的整个设计过程中集成各个学科(子系统)的知识,应用有效的设计/优化策略和分布式计算机网络系统来组织和管理整个系统的设计过程,通过充分利用各个学科(子系统)之间的相互作用所产生的协同效应协调不同学科设计之间的耦合和可能遇到的冲突,实施多学科优化方法的软件和硬件结构,集成设计、分析工具,使设计从孤立的、串行的过程成为并行的、协同的过程,把设计的焦点从单独的部件级转移到系统级整体性能优化(即更好质量或性能),从而可以缩短设计周期和提高设计效率,得出整体上的最优设计。MDO的主要优点表现在:摘要描述了多学科设计优化技术的基本概念

3、、基本思想与优点,以及研究的关键技术,介绍了应用多学科设计优化技术解决飞行器多学科设计优化的应用实例,并对应用前景进行了展望。关键词多学科设计优化设计空间探索总体设计近似技术引言现代飞行器是一个复杂的系统,也是多种学科先进技术的综合体。在飞行器总体设计过程中,涉及到空气动力学、飞行力学、结构力学、热力学、电磁理论、高能物理以及自动控制等多类学科,这些学科之间具有强烈的耦合关系。另外,随着现代飞行器设计技术的迅猛发展以及各种创新技术在产品设计中的应用,组成飞行器产品的各分系统越来越复杂,各系统之间的耦合也越来越紧密,传统的飞行器设计方法已经不能满足其设计要求,必须应用新方法与新

4、技术,以提高飞行器的综合性能。国外最近发展起来的多学科设计优化技术为上述问题的解决提供了新思路,它是从设计过程角度出发,充分利用当前设计技术条件,通过寻求有效的设计方法策略,达到提高产品综合性能的目的。该技术已成为当前国际上飞行器设计方法研究的最新、最活跃的领域,并被成功应用于飞机的总体设计中,对于目前其它典型飞行器的总体设计具有一定的借鉴意义。本文2007210231收到,作者分别系中国航天科工集团第三研究院三部工程师、高工、工程师、工程师·18·飞航导弹2008年第4期1)应用模块化的设计结构实现了各学科模块化的并行设计,进一步缩短设计周期;2)应用学科间相互协同的机制进

5、一步挖掘设计潜力,通过系统综合分析进行方案选择和评估,提高了方案的科学性;3)通过系统高度集成实现了复杂系统优化设计过程中自动迭代循环,提高了系统优化设计的效率;4)应用学科综合提高了系统设计的鲁棒性(稳健性)和经济性,通过门类齐全的多学科综合设计降低了研制费用。1.3发展阶段MDO的发展主要经历了三个阶段。第一阶段:优化设计方法阶段。在该阶段中,MDO技术研究的重点主要考虑集成。该阶段的典型特点是:初步考虑复杂系统设计中各分系统间的相互作用与影响,但整个系统设计不分层,通过优化方法将各学科模型集成起来。该阶段MDO技术应用的缺点是搜索时间长,学科模型只能取近似模型,只能处理

6、简单的例子,难以处理大型复杂系统的优化问题。第二阶段:分布式学科分析研究阶段。该阶段的典型特点是利用多台计算机采用分布方式开展学科分析研究,每个学科构成了独立的分析模块,它们之间利用数据库进行系统管理与协调,因此有效扩大了处理问题的规模。但由于该阶段各学科只分析不设计,总的设计过程全部依赖于系统级优化工具,因而也难以处理更大规模的复杂系统的优化问题。第三阶段:系统级设计优化阶段。该阶段的典型特点是各学科在系统级给定的设计约束条件下,各自独立完成本学科分析与设计,将设计结果返回到系统级,由系统级进行协调优化,最终得到满足所有要求的最优设计。该阶段MDO技术应用中将大规模复杂系统

7、优化设计问题分解为若干子系统的优化设计问题,由系统级协调各子系统间的耦合作用,充分利用分布式计算机系统进行协调设计,其思想与现有工业体系的组织、设计、管理模式基本吻合,因而能有效处理大规模复杂系统优化问题。2MDO研究的关键技术MDO可以认为是包含很多学科和技术的概念实体。根据多学科设计优化问题的特点,美籍波兰人J.Sobieszcanski2Sobieski对MDO的基本研究内容进行了基本归类,主要包括以下内容:1)系统建模技术;2)面向设计的分析;3)近似技术;4)系统敏感性分析;5)系统分解方法;