多学科设计优化技术发展及在航空航天领域的应用

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1、多学科设计优化技术发展及在航空航天领域的应用龙腾坦，刘建2，孟令涛3，史人赫2，刘莉1’2(1．北京理工大学飞行器动力学与控制教育部重点实验室，北京100081；2．北京理工大学宇航学院，北京100081；3．中国运载火箭研究院战术武器事业部，北京100076)【摘要】首先指出了多学科设计优化(MDO)对于现代飞行器设计的意义和多学科设计优化的主要研究内容。在调研国内外参考文献的基础上，分别对面向MDO的飞行器建模技术、灵敏度分析技术、优化算法、代理模型技术、MDO策略以及MDO框架6项关键技术发展状况以及MDO在航空航天领域的应用状态进行了总结和概述，最后指出了技术的未来研究

2、方向以及MDO在航空航天领域进一步推广所需要解决的问题。关键词：多学科设计优化；飞行器设计；航空航天DOI：10．160808．issnl671-833x．2016．03．024龙腾博士，副教授。主要研究方向为飞行器总体设计、多学科设计优化理论与应用、飞行器协同控制与决策。飞行器是一个复杂的系统，由气动、结构、动力、控制、隐身等多个学科(子系统)组成，各学科相互影响，相互制约。飞行器的综合性能是各24航空制造技术·2016年第3期学科耦合协调的综合体现。传统的串行设计模式在各个阶段未能充分考虑各学科之间的耦合关系，并且时间分配不均衡，概念设计阶段所占比例过小。这样的设计模式难以

3、有效利用概念设计阶段较大的设计自由度来获取尽可能多的飞行器已知信息以提高设计质量，由于没有充分考虑各学科的协调效应，设计结果难以达到系统最优，从而降低了飞行器的综合性能⋯。串行化模式还导致设计周期拉长，设计成本增加。显然，传统的串行设计模式已经不能满足现代飞行器设计的要求。为了克服上述弊端，适应现代先进飞行器设计的要求，20世纪80年代起，以美国NASALangley研究中心的Sobieszczanski—Sobieski等为代表的一批航空领域的科学家和工程技术人员提出并逐步完善了一种新的飞行器设计方法：多学科设计优化(MultidisciplinaryDesignOptimi

4、zation，MDO)⋯。美国航空航天学会MDO技术委员会(AIAAMDO—TC)对MDO的定义可描述为：“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”。MDO对飞行器设计有着积极意义[2-31：(1)MDO符合系统工程的思想，能有效提高飞行器设计质量；(2)MDO为飞行器设计提供了一种并行设计模式；(3)MDO的设计模式与飞行器设计组织体系一致；(4)MDO的模块化结构使飞行器设计过程具有很强的灵活性。多学科设计优化的提出引起了各国研究机构、高校和工业界的广泛重视(如NASA、斯坦福大学、麻省理工学院、Boeing、Airbus等)，

5、掀起了一股研究热潮。经过20多年的发展，多学科设计优化在理论研究和工程应用方面都取得了一定的成果[4-71。多学科设计优化主要研究内容多学科设计优化涉及的研究内容非常丰富，Sobieszczanski—Sobieski最早将MDO的研究内容分为信息科学技术、面向设计的多学科分析和多学科设计优化过程3大类【2灌】。1998年，MDO技术委员会根据工业界的需求对其进行了修正，将MDO研究内容扩展为4大类共16个方面16】。综合而言，为解决4个复杂性问题[2,619MDO的主要研究内容包括面向MDO的复杂系统建模与分解、灵敏度分析方法、优化算法、代理模型技术、多学科设计优化策略、多学

6、科设计优化框架以及多学科设计优化的工程应用7个方面。其中，灵敏度分析方法、优化算法、代理模型技术、多学科设计优化策略、多学科设计优化框架即为MDO研究的关键技术。1面向MDO的复杂系统建模与分解数学模型的建立是多学科设计优化的基础，复杂系统建模需要在系统和全局的高度，充分综合考虑各学科间的耦合关系和协作机理，理清学科间的数据流程，权衡模型精度与计算成本，并兼顾设计问题的鲁棒性，同时应考虑优化设计过程中的自动化实现问题。复杂系统建模包括系统级建模和学科级建模。虽然多学科设计优化强调均衡考虑各学科，通过探究学科间的耦合关系来提高系统综合性能，但是受现有计算条件所限，盲目求全只会使优

7、化问题极度复杂。导致设计周期拉长，甚至设计失败。文献【4]和[6】都指出多学科设计优化的深度和广度存在矛盾。因此，复杂系统建模应该“有的放矢”，根据设计需求合理配置学科，定义优化问题。为了避免“维数灾难”，可通过方差分析等手段对设计变量进行筛选(Screen)。此外，参数化建模有助于实现复杂系统优化设计自动化。学科级建模方法与传统的单学科优化相似，相关技术也相对成熟。根据任务需求，各学科可建立多种不同精度的分析模型。以飞行器为例，气动学科在方案论证初期多采用工程估算和半经验公式的方法，随着设