高超声速飞行器内部布局优化设计.pdf

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1、第30卷第1期计算机仿真2013年1月文章编号：1006-9348(2013)01—0095—05高超声速飞行器内部布局优化设计王若冰，谷良贤(西北工业大学航天学院，陕西西安710072)摘要：针对高超声速飞行器内部空间形状复杂、容积利用率低、质量特性设计困难的特点，提出了一种两级协同进化的飞行器布局优化设计方法。给出了飞行器内部布局优化问题的描述形式，提出了两级协同进化算法并运用局部搜索策略、迁移策略和种群迁移策略以提高计算效率，以x一51高超声速飞行器的内部布局问题为例，建立复合模型并运用两级协同进化算法进行仿真，验证了所

2、提出的优化设计方法的可行性，并提高了求解效率。关键词：布局设计；优化设计；协同进化；遗传算法；高超声速飞行器中圈分类号：V221文献标识码：BHypersonicVehicleLayoutOptimalDesignWANGRuo-bing，GULiang-xian(CoHegeofAstronautics，NorthwestPolytechnicalUniversity，Xi’aIlShanxi710072，China)ABSTRACT：Theintemalspaceofhypersonicvehicleiscomplex，w

3、hichislowinvolumeutilizationanddifficultinqualitycharacteristicsdesign．Inordertosolvetheseproblems，anaircraftlayoutoptimizationmethodwasraisedbasedonBi-levelco-operativeevolutionaryalgorithm．ABCCGAalgorithmWasraisedtosolvethehypersonicvehiclelayoutdesignproblem，whic

4、huseslocalsearchstrategies，migrationstrategiesandpopulationmigrationstrategytoimprovecomputationalefiqcieney．Atlast，thecompositemodeloftheaircraftlayoutoptimizationWasestablishedandtheBCCGAwasusedtosolvetheexample．Thefeasibilityandsolvingcapabilitywereverifiedbysimu

5、latingtheX一51layoutproblem．KEYWORDS：Layoutdesign；Optimaldesign；Co-evolutionaryalgorithm；Geneticalgorithm；Hypersonicvehiclel引言高超声速飞行器多采用乘波体或升力体等非常规构型，其内部布局受外形限制的条件多，所需布局的设备及仪器数目庞大。因此，对飞行器内部仪器设备和有效载荷等做出统一布局，并对布局进行优化设计，对于高超声速飞行器总体设计具有重要意义。高超飞行器的布局设计属于复杂的三维布局问题，其解空间具有高维

6、、不连续、多峰值等特点。Cagan【11和Fadel}23研究了一些简单的布局问题，提出运用演化算法求解这类问题。随后，人们不断进一步挖掘演化算法的计算潜能。曾威运用协同进化算法求解了一类圆柱体卫星舱内组件的布局设计问题p1，但该方法不能用于形状复杂舱体的布局。张泓等【41研究了蚁群算法在三维布局问题的应用，贺春华等”o提出竞选优化算法，宋保维等Mo提出基于改进的协同进化算法的多学科优化框架，但这些算法或计算效率不高、或求解成功率低，都不适应于求解复杂三维布局问题。收稿日期：2012—03—05修回日期：2012—04—09鉴

7、于此，为说明本文的针对高超声速飞行器布局优化设计方法，首先建立了一种新的基于CAD的针对复杂舱内空间的适应高精度干涉量计算的复合模型，并提出了求解大规模布局问题的两级协同进化算法，引入了更多的设计变量和性能约束，对高超声速飞行器x一51的舱内布局进行了多目标优化仿真以验证求解算法的求解效率和可靠性。2飞行器布局优化问题2．1布局优化问题描述布局问题(LayoutProblem)是指将一组给定的待布物合理地布置在一组有限布局空间(LayoutSpace)中，对设计变量的参数进行优化以满足给定的空间或性能约束条件。高超声速飞行器的

8、内部布局优化问题以改善飞行器的总体质量分布特性为目标，同时满足不干涉等约束条件，其要求可描述为：1)整个飞行器全舱(包含所有仪器设备)的实际质心位置与目标质心位置的误差应尽量小；2)整个飞行器的转动惯量应尽量小；3)各仪器设备之间不能发生干涉，即互不重叠；4)仪器设备不得与舱