發(fā)布時(shí)間：2020-11-20 15:50

【摘要】：基于代理模型的優(yōu)化方法因其能有效減少計(jì)算時(shí)間的優(yōu)勢(shì)在優(yōu)化領(lǐng)域備受關(guān)注,但隨著設(shè)計(jì)空間維數(shù)的增加,構(gòu)建代理模型所需樣本點(diǎn)的數(shù)量將呈指數(shù)級(jí)增加,同時(shí)模型的局部精度也難以提高。為提高高維空間下高精度優(yōu)化方法的計(jì)算效率,本文提出了一種基于變搜索空間的自適應(yīng)代理模型優(yōu)化方法,并將之應(yīng)用于跨聲速翼型/機(jī)翼和高超聲速飛行器的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,得到良好的優(yōu)化結(jié)果。首先,本文詳述了多種代理模型的算法原理和建模過程,并對(duì)其擬合精度作了對(duì)比;分析了經(jīng)典的基于代理模型優(yōu)化方法的優(yōu)缺點(diǎn),以多個(gè)測(cè)試函數(shù)為例,研究統(tǒng)計(jì)了樣本點(diǎn)數(shù)量與設(shè)計(jì)變量維數(shù)、擬合誤差精度三者之間的定性關(guān)系;由此提出一種搜索空間隨當(dāng)?shù)刈顑?yōu)解移動(dòng)的自適應(yīng)策略,以優(yōu)化過程中自適應(yīng)模型細(xì)化選點(diǎn)方法為突破口,能夠?qū)崿F(xiàn)搜索空間的自動(dòng)劃分、分級(jí)近似。然后,針對(duì)該方法的精確性和有效性,分別進(jìn)行了典型函數(shù)測(cè)試驗(yàn)證和翼型/機(jī)翼氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果顯示:與基于普通代理模型的優(yōu)化方法相比,本文發(fā)展的方法不僅可以大大節(jié)省所需的總樣本點(diǎn)數(shù)量,而且搜索效率和精度更高,翼型/機(jī)翼的良好減阻效果表明該方法對(duì)于氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。最后,在考慮多學(xué)科耦合的基礎(chǔ)上,研究了類X-43A升力體高超聲速飛行器飛推一體化的參數(shù)化建模方法;建立發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)性能、前體/進(jìn)氣道氣動(dòng)性能、飛行器氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱四個(gè)學(xué)科分析模型,并選取合適的目標(biāo)參數(shù)以評(píng)估學(xué)科性能;運(yùn)用本文發(fā)展的優(yōu)化方法,有效求解高超飛行器的單/多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V22
【圖文】：

圖 1.1 大型民航客機(jī) 圖 1.2 升力體高超聲速飛行器1.1.1 最優(yōu)化問題與飛行器多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)最優(yōu)化問題是人類生產(chǎn)實(shí)踐中最常見也是難以完全解決的問題，涉及到生產(chǎn)計(jì)劃、資源配置、財(cái)務(wù)經(jīng)濟(jì)、動(dòng)態(tài)決策、工程應(yīng)用等各個(gè)領(lǐng)域。從最優(yōu)化理論形成一門獨(dú)立學(xué)科開始，解線性、非線性、多目標(biāo)、非光滑、幾何、隨機(jī)、整數(shù)等規(guī)劃問題的各種優(yōu)化理論研究迅速發(fā)展，更好更全面的優(yōu)化算法不斷被建立起來。與此同時(shí)計(jì)算機(jī)處理器性能的崛起，也給各類極值問題的最優(yōu)化求解提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)和有效保證。最優(yōu)化方法[6]具體可以分為幾類：不需要梯度的直接法、基于梯度的優(yōu)化算法、觀察總結(jié)大自然運(yùn)動(dòng)規(guī)律而找到的解決實(shí)際問題的啟發(fā)式算法、基于代理模型的優(yōu)化算法、綜合不同類型算法優(yōu)點(diǎn)的協(xié)同/混合優(yōu)化算法等。優(yōu)化在航空領(lǐng)域應(yīng)用頗深，對(duì)飛行器的設(shè)計(jì)具有重大意義，一架 DC-10 大小的飛機(jī)，升阻比每提高百分之一，每年就可節(jié)約百萬美元的燃料費(fèi)，經(jīng)濟(jì)效益可見一斑。飛行器優(yōu)化設(shè)計(jì)是龐大復(fù)雜的綜合工程，傳統(tǒng)的高內(nèi)聚串行設(shè)計(jì)模式將耦合的氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、控制和推進(jìn)等學(xué)科分割開來，忽略子系統(tǒng)之間的協(xié)同效應(yīng)，得不到飛行器的整體最優(yōu)性能，同時(shí)設(shè)計(jì)過程花費(fèi)時(shí)間長、經(jīng)濟(jì)成本高。擁有先進(jìn)飛行器設(shè)計(jì)技術(shù)的歐美國家針對(duì)傳統(tǒng)模式的不

適用于大型運(yùn)輸機(jī)、民航客機(jī)（圖 1.1）飛行的亞聲速技術(shù)和適用于高超聲速飛行器（圖1.2）的高超聲速技術(shù)[1,2]是航空領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。中國商飛的成立立足于打破民航客機(jī)由波音、空客公司壟斷的局面，提高并完善我國研制大飛機(jī)的能力。在大飛機(jī)的設(shè)計(jì)流程中，以增升減阻為首要目標(biāo)的氣動(dòng)優(yōu)化工作是不可或缺的重要環(huán)節(jié)。而使用超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的吸氣式高超聲速飛行器則是當(dāng)代強(qiáng)國競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)[3,4]，其自身不需要攜帶氧化劑，有效降低機(jī)體結(jié)構(gòu)重量，提升了飛行性能，它為國防安全和航空運(yùn)輸提供了全新的途徑，從而帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步。高超聲速飛行器的設(shè)計(jì)包含彈道/控制、氣動(dòng)、推進(jìn)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、熱防護(hù)系統(tǒng)等多個(gè)學(xué)科，實(shí)現(xiàn)飛行器多學(xué)科的綜合性能最優(yōu)是設(shè)計(jì)工作中的重中之重。無論是亞聲速民機(jī)，還是高超聲速飛行器，氣動(dòng)優(yōu)化在飛行器整個(gè)設(shè)計(jì)流程中的地位都舉足輕重[5]。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，飛行器的推進(jìn)系統(tǒng)性能、氣動(dòng)力熱往往是備受關(guān)注的學(xué)科，得到學(xué)科目標(biāo)值有三種方法：真實(shí)飛行試驗(yàn)、地面風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、流場(chǎng)數(shù)值模擬。在優(yōu)化過程中，參數(shù)化模型后需要求解大量個(gè)體的目標(biāo)函數(shù)值，考慮飛行器尺度和經(jīng)濟(jì)成本因素，前兩種方法不適宜大量使用，而流場(chǎng)數(shù)值模擬雖然經(jīng)濟(jì)成本較低，但大量高精度的計(jì)算求解偏微分方程組，會(huì)帶來時(shí)間成本的不可承受問題。因此，代理模型算法被應(yīng)用于各型各類飛行器的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，構(gòu)建預(yù)測(cè)響應(yīng)面以替代耗時(shí)的流場(chǎng)計(jì)算工作。

目標(biāo)函數(shù)收斂歷程
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本文編號(hào)：2891644