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1、第35卷第4期航空计算技术Vol.35No.42005年12月AeronauiticalComputerTechniqueDec.2005基于代理模型的气动外形优化曾会华余雄庆(南京航空航天大学航空宇航学院,江苏南京210016)摘要:探讨了一种将CAD软件、CFD商用软件与代理模型相结合的飞机气动外形优化方法。重点介绍建立气动分析代理模型的过程,这一过程包括确定设计变量及其取值范围、生成试验设计点、建立参数化几何模型、CFD数值计算、提取气动特性和构造代理模型。通过一个简单的机翼气动外形优化算例验证了这种方法的可行性和有效性。关键词:气动优化;飞机设计;代理模
2、型中图分类号:TP391.7文献标识码:A文章编号:1671-654X(2005)04-0084-04将首先阐述气动分析代理模型生成的方法,然后用一引言个气动外形优化算例验证本文方法的可行性。目前,在飞机过程设计中广泛应用了计算辅助设计软件(如CATIA)和CFD商用软件,如何在应用这些商用软件进行外形设计和气动分析基础上,实现飞机1建立气动分析代理模型气动外形优化是设计人员所关注的问题。代理模型技建立气动分析代理模型的整个流程如图1所示。术为解决这个问题提供了一个可行的途径。代理模型(SurrogateModels)是指计算量很小、但其计算结果可替代高精度模型
3、的计算结果的分析模[1]型。代理模型有时也被称为元模型(Metamod2[2][3]el)。构造代理模型一般需要三个步骤:首先用某种方法产生设计变量的样本点;然后用高精度分析模型对这些样本点进行分析,获得一组输入/输出的数据;最后用某种拟合方法来拟合这些输入/输出的样本数据,图1建立气动分析代理模型的流程图构造出近似模型,并对该近似模型的可信度进行评估。1.1确定设计变量代理模型可以看作是响应面模型(ResponseSurface根据具体的气动设计问题,确定对所考察气动特Model)在概念上的拓展。性影响较大的参数,将这些参数设置为设计变量,并定在工程优化中,为
4、了提高优化设计结果的可信度,出设计变量值变化范围的上限和下限。由设计变量所越来越强调采用高精度分析模型。但如果直接将这些组成的集合称为设计空间。设计空间中的每一个点均高精度模型用于优化迭代中,会导致计算量过大而难代表一种设计方案。于实施。通过应用代理模型方法,可有效地解决这一问题。除此以外,采用代理模型还具有以下优点:1)过1.2生成试验点滤掉原分析模型中可能产生的数值计算噪声;2)有利为了尽可能全面反映设计空间的特性,需选择一于实现并行计算;3)有利于将商用软件集成在优化流组有代表性的样本设计点。样本设计点可应用试验设程中。由于代理模型具有上述诸多优点,因此代
5、理模计方法生成。试验设计方法是有关如何合理安排试验[4][5]型方法在工程优化中越来越得到重视[1][6][7]。的数学方法,它决定了构造代理模型所需样本点本文目的在于探索一种将CAD软件、CFD商用软的个数和这些点的空间分布情况。常用的实验设计方件与代理模型相结合的飞机气动外形优化方法。以下法包括全析因设计、正交设计、中心复合设计、均匀设收稿日期:2005O09O08作者简介:曾会华(1980O),男,江苏南通人,硕士研究生,主要研究方向为飞行器多学科优化设计。©1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishing
6、House.Allrightsreserved.http://www.cnki.net2005年12月曾会华等:基于代理模型的气动外形优化·85·计、拉丁方设计等。对于数值仿真而言,均匀设计和拉前已经成为多学科设计优化中较有代表性的一种代理[8][7][8]丁方设计更合理一些。模型近似方法。关于各代理模型的详细阐述见文1.3用CAD软件建立参数化几何模型献[2][3]。一组样本设计点代表许多不同的设计方案,利用一般来说,在获取代理模型后,还需对代理模型的现有的CAD软件(如ProE、CATIA、UG等)建立各个可信度进行检验。常见检验方法有方差分析或者是数设计方
7、案的三维几何模型。为了提高三维几何建模的值回代,以确保代理模型达到所要求的拟合精度。效率,要充分利用CAD软件参数化建模功能。上述几何建模、网格生成和气动计算过程可在多1.4用CFD软件进行数值计算台计算机上同时进行,因此代理模型有利于实现并行目前商用CAD软件所生成的几何模型一般都能计算。一旦构造好气动分析的代理模型,就可进行气导入商用CFD软件(如Fluent和CFD-FASTRAN)动外形优化。此时,气动分析的代理模型在优化过程中。在三维几何模型导入后,再对其生成表面网格和中起到气动分析模型的作用,其计算量非常小,且能过空间网格。由于要计算很多种方案,因此
8、网格生成应滤掉原分析模型
