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发表于 2010-7-30 16:25:44
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来自： 中国广东佛山
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直升机总体多学科设计优化需要解决的主要关键技术问题有： * Q) ^2 P2 \$ A2 `- ~& m: M
" x0 U* o% R) T/ k9 E6 t（1）建立适合直升机总体设计的各个学科的高精度分析模型，特别是总体设计关注的全寿命周期成本，综合效能等学科分析模型以及总体参数化几何模型，同时需要分析学科之间耦合关系，建立起直升机总体多学科设计优化框架。 . p7 b5 o4 @7 A$ J2 {* [- Y% L
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（2）研究如何采用代理模型以解决多学科计算复杂度问题。 ' q$ ]% ? M' ~' j
0 H7 \, h4 W* s% X8 a（3）发展适合直升机总体多学科设计优化模型求解的多学科设计优化算法。
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8 e$ w. |& n7 m2 鲁棒设计优化方法 ) c0 Y. n2 A3 s- \) F% T
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由于直升机总体设计是直升机设计的最初阶段，掌握的信息较少，对所设计的直升机缺少全面深刻的了解，因而存在较多的不确定性因素。比如：（1）不同的直升机使用方案、气候环境等因素会使得直升机的飞行状态具有不确定性；（2）直升机制造和装配中的误差会导致直升机的气动外形具有不确定性；（3）总体设计中的分析模型存在着误差，使得计算结果具有不确定性；（4）外部经济环境的变化导致直升机成本具有较大的不确定性，等等。由于这些不确定性因素的存在，导致总体设计方案存在着不确定性，可能会不满足设计要求，从而使得设计方案存在着风险。 9 W. x( Q5 r& d5 A
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鲁棒设计优化是寻求一种在满足不确定性模型约束条件下使目标值概率最大化的设计方法。鲁棒设计的目的是要寻求一种可行的设计方法, 使得一方面满足目标值最优的要求, 另一方面满足稳定性最大化, 或者目标函数值对输入变量的敏度最小化的要求。鲁棒设计优化中的设计变量是具有概率分布的随机变量，因此通过系统分析，所得到的响应目标也是具有某种概率分布的随机变量。 . D% }" Y; N# ~) k
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在直升机总体设计中采用鲁棒设计优化方法可以分析不确定因素对总体设计方案的影响，通过优化设计，不但可以获得最优的总体方案，而且可以得到最稳定的，即受不确定因素影响最小的总体方案。
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直升机总体鲁棒设计优化研究的主要内容有： 0 H5 T2 Z! h9 h0 X# ~
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（1）直升机总体不确定性因素分析，包括确定不确定性设计变量以及其概率分布特征。
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8 q. M5 r/ x: q/ O! N（2）直升机总体鲁棒设计优化算法研究。针对直升机总体鲁棒设计优化模型，发展具有收敛速度快、计算量小的优化求解算法。
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# V6 E" v% Z# T& ?9 B+ ~8 D+ @直升机总体综合设计软件系统的发展 9 N; ~/ D0 v0 g1 R- k1 t# T
. X& l" g5 n* W& Y8 u ]随着计算机辅助设计理论和方法的发展以及与优化设计方法的结合，使直升机总体设计从传统的工程设计过程逐步向自动化、集成化、智能化方向发展，出现了专门的直升机总体综合设计软件系统，成为实用的直升机总体综合设计分析平台。直升机综合设计软件系统能完成总体设计各项任务，确定直升机主要参数和尺寸，进行气动和总体布局设计，分析计算各项飞行性能和直升机成本等；同时还可以根据设计要求进行优化设计，以获得最优的总体方案。直升机总体综合设计软件系统通常还包括直升机旋翼桨叶翼型、发动机和总体参数等数据库，为直升机总体设计提供有借鉴作用的参考和可信的判据。 3 N0 F8 }( }: ]2 R
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* [' n7 N, F0 X+ Z( u( Z目前，国内外直升机总体综合设计软件系统正从传统的直升机总体参数优化软件系统发展到直升机总体多学科设计软件系统。
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1 直升机总体参数优化软件系统 9 F, v" p. B& j4 y3 R; y
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直升机总体参数优化软件系统通过建立直升机总体设计优化模型，把直升机总体设计问题转变为数学寻优问题，利用计算机自动完成总体参数的选择。采用直升机总体参数优化设计不但可以得到最优的总体设计方案，而且能缩短设计周期，提高设计效率，但由于只考虑飞行性能和重量的设计要求，没有考虑到总体参数对其他学科的影响，仅优化重量和旋翼等少数总体参数，没有进行直升机的气动和总体布局优化设计，其确定的总体设计方案较简单和粗糙，并且分析模型简单，得到的总体设计方案可信度不高。 2 I/ J; o' k- H8 ^( l- Z
9 |( V) P1 f3 A# d: B+ ]4 T8 K目前，国外常用的直升机总体参数优化软件系统主要有波音直升机公司的HESCOMP和VASCOMP，它们可以用来确定满足设计要求的所需发动机参数、直升机总体参数和尺寸等，计算和分析各分系统的重量和飞行性能，同时进行直升机总体参数的优化选择。其中，HESCOMP专门用于常规直升机总体设计，而VASCOMP用于有翼直升机、复合式直升机以及垂直/短距起落飞行器（倾转旋翼、倾转机翼）的总体设计。乔治亚理工学院开发的GTPDP 直升机总体综合设计软件系统可以快速估算直升机总体参数、尺寸和性能，它能够进行直升机飞行性能、机动性、重量和成本等参数分析，同时可以进行总体参数的优化设计，并且包括常用的直升机旋翼桨叶翼型和发动机数据库，GTPDP目前广泛应用于直升机总体工程设计和教学科研等。
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6 f6 q8 z- w4 J国内南京航空航天大学直升机技术研究所自从80年代以来进行了大量直升机总体参数优化研究，编制了直升机总体参数优化软件系统，进行了总体参数单目标、多目标等研究，同时应用于直升机型号设计中，取得了较好的效果。
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随着直升机各学科分析模型、计算机分布式技术和优化设计方法的发展，特别是直升机总体多学科设计优化方法的成熟，出现了基于多学科设计优化方法的直升机总体综合优化设计软件系统。 ; C6 @, k% r- v: j
( g3 h- N3 ~8 E6 }2000年乔治亚理工学进行了基于分布式分析多学科设计优化体系结构的直升机总体多学科设计优化初步研究，通过利用响应面代理模型集成各个分布的学科精确分析模型，形成如图7 所示的分布式分析的直升机总体多学科优化设计系统。2006年Khalid进行了多学科设计优化在直升机初步设计中应用的研究，通过集成用于直升机初步设计中的各学科计算机分析程序和设计工具，形成适合直升机初步设计的多学科设计优化软件系统。
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( |' V6 {) Q, T9 U国内南京航空航天大学直升机技术研究所进行了直升机总体多学科设计研究，提出了直升机总体多学科设计优化框架，利用iSIGHT集成软件平台，集成直升机飞行性能、重量、操纵稳定性和经济性分析程序，基于协同优化方法，建立起可以并行设计的初步直升机总体多学科设计优化软件系统。 / X+ j$ q* i+ g+ D4 ]! Y
2 r+ B. u& c% z9 l4 A$ G& S& \7 `4 L结束语
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; |. |' x2 {8 k# q4 X" v随着直升机技术、计算机辅助设计技术以及工程优化设计方法的发展和成熟，直升机总体设计已从传统的面向性能设计转变为现代的面向可负担性和质量设计。通过建立总体综合评价体系，考虑全寿命周期费用，采用并行设计模式，使得直升机总体设计技术得到较大的提高，同时多学科设计优化方法和鲁棒优化设计方法在直升机总体设计中得到了广泛的应用，大大提升了直升机总体综合设计水平，并且随着直升机总体综合设计软件系统的发展，使得直升机总体工程设计拥有了良好的综合设计优化平台。(end) |
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发表于 2010-7-30 16:24:57