协作优化在无人机概念设计中的应用_论文

发布于:2021-08-05 19:43:14

第4 0卷 第 2期  航 空 计 算 技 术  Ae o a tc lCo ut   c i u   r n u ia  mp i Te hn q e ng Vo. 0 No 2 14   .   Ma. r 201   0 21 0 0年 3月   协 作 优 化 在 无人 机 概 念 设 计 中 的应 用  郑安波 , 罗小 云 , 汉 东 , 国芳  马 范 ( 中国航 天 空气 动力技术 研 究院 , 北京 10 7 ) 004  摘 要: 多学科设计优化 ( D 是 当前飞行 器设 计研 究 中一 个最新、 M O) 最活跃 的领 域 , 而协作优化 是  解决多学科设计优 化问题 的一种二级 MD O算法。将 协作优化应用到无人机 的概念设计 中, 建立 了   包含 气动、 重量 、 能和稳定性四个 学科 的无人机 系统优 化模 型。与传统 的设 计方 法相 比, 方法  性 该 为无人机在概 念设计 阶段提 供 了更加 合理 的飞行 器外形 , 降低 了初 步设计和详 细设*锥 对飞行  器 外 形修 改 的 可 能 性 , 而缩 短 研 制 周 期 和 降低 成 本 。 从   关键 词 : 人 机 ; 作 优 化 ; 学科 设 计 优 化  无 协 多 中 图 分 类 号 :2 4 0 2  文献标识码 :  A 文章 编 号 :6 1 64 2 1 )2 0 3 — 3 17 — 5 X(0 0 0 —0 7 0  引言  无 人机在军事上有 着广泛 的用途 , 仅可 以进行空  不 中侦察 , 还可 以对 地攻 击 , 最 * 的几 场局 部 高科 技 战  在 争 中发挥着重 要作 用 。无 人 机设 计 大致 可 分 为总 体布  局设计 、 气动设 计 、 飞行 性 能分 析 、 重量 *衡 与 控 制 、 结  构强度等几方 面 , 一 种典 型 的多 学科 设 计优 化 问题 。 是   多学科设计优 化 问题 的核 心是 多 学科 优 化算 法 。本 文  将协作优化算法应用 到无人机 的概念 设计 中 , 它通 过一  致性约束使原来耦合 的系统分 解为一 个二 级优化 问题 ,   即系统级和学科级 。在学科分 析 中 , 包括 气动 、 量 、 重 性  能和稳定性 四个学科 。最后优 化结果 表 明 , 人机 的设  无 l 协作优化 算法  协作 优 化 算 法 是 由 K o ro等 人 提 出 的一 种 二 级  M O算 法 , D 其基本 思想 是将 系统 设计 优 化 问题分 解 为  系统级 优化 和学科 级优 化 。系统 级优化 负责 为全 局设  计 变量 z 和系统 状态 变量 ) 提供 目标值 , 学科级 优  乩 , 乩 而 化 在满 足本学 科 约 束 的条 件 下 , 过 一 致性 约 束 保 证  通 学科 级 优化结 果 与 系 统级 目标 值 之 间 的差 异 消失 , 即  确 保 多学科 可行 。通过 系统 级优 化和学 科级 优化 之 间  的多次 迭代 , 最终 找到 一个一 致性 的最 优设 计 , 化过  优 程 如 图 1 JJ    。 l   计优化满足技术 指标 , 并且性能是最 优 的。   协 作优化 系统 级优 化 问题 可 以表述 为 J :   图 1 协 作 优 化 算 法  收稿 日期 :0 9 0 — 8 2 0 — 9 0  修 订 日期 :0 0 0 — 2 2 1 . 1 1  作者简介 : 郑安波( 9 1一), , 18 男 湖北黄 冈人 , 工程师 , 硕士 , 研究方 向为 飞行器设计 。   ? 3   8? a n ri   zlYL s’ S  J 航 空 计 算 技 术  第4 O卷  第 2期  st J(s, ,肛, ( ,,  ) 0 ..   L     Y Y     , )=   z = ,   () 1  2 无 人 机 协 作优 化 模 型  2 1 系统级 变量 和学 科耦合 变量  .  .   1, ,   ≠  … n 式 中l为系统级 目标 函数 ;  表一 致 性 约束 , 个 学  厂 .代 , 每 科一 个 , 总共 n个 学 科 ; ,  和  是 学 科 级优 化 结    Y 图 2显 示传统 设计 过程 和协作 优化过 程 。在协 作  优 化过程 中 , 通过 相容性 约束 , 传统 设计过程 中的学科  间前馈 和反 馈得 到 解 耦 , 且学 科 问实 现并 行 化 。基  并 于二级 分解 的协作 优化 过程 的全局 变量为 :   果 。第 个 学科级 优化 问题 可 以表述 为 :   m n J(乩, Y Y( ,  )= i  z  ,乩,  Y ,      )   ∑ ( 一 )+  一,      ( )  乩 肛   ) St g( , ,   , , )   ..   z Y( Y  ) ≤0     i () 2   z=[ A 7 ,  s AJ , ] s , , 以 ,m,,     7   耦合 变量 为 :   Y=[ oC ,DC c , 哪 , ] W ,LC , ,  C C   () 3  () 4  式 中 g 为学科 约束 。     传 统 飞 行 器 设 计 过 程  图 2 无 人 机 协 作 设 计 优 化 过 程  2 2 学科分 析  . 航 阶段 的升力 系数 和 阻力 系数 。   C _ AtMah WoS ) C   C )  = ( l c , ,  ,。=    厂 , () 6  性 能学科 分析 的输入 输 出如 图 3 c 所 示 。对 于  () 重量学科分析的输入输出如图 3 af 。使用统计  ()i  ̄ 方法估计主要 部件 的重量 。总 的飞 行器 重 量是 机 翼 重

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