基于径向基函数的机翼二维气动代理模型设计

采用多学科设计优化方法进行机翼气动/结构优化时,结构学科的优化需要气动学科提供机翼压力分布的代理模型。本文引入了等参单元形函数的几何变换思想,利用径向基函数,解决了复杂形状机翼的二维气动代理模型的构造问题,进行了某巡航导弹弹翼考虑结构变形的气动力代理模型的构建。算例结果表明,本文所用代理模型构造方法简单易行,预测结果的精度很好。     

基于代理模型的箭体连接结构极值响应分析与优化

螺栓法兰连接结构在航空航天等工程领域中广泛应用,其力学性能在不同工况和装配情况下十分复杂。由于拉压刚度差异,含连接结构的箭体动力学响应呈现明显的非线性特征。因此,考虑不同连接参数及工况下的连接非线性动力学响应,对结构优化设计有着重要意义。本文针对以双线性弹簧表征螺栓法兰连接非线性的箭体等效动力学模型,基于径向基函数(RBF)神经网络和响应面法分别建立其连接面处的极值响应代理模型,对比发现RBF神经网络模型在较高精度上可以实现对动响应极值的预测及分析;同时分析了不同载荷参数及刚度变化对连接结构动响应极值的影响;最后,利用RBF神经网络代理模型,开展了连接面加速度极值响应与螺栓弹簧力最小化为目标的连接结构参数优化。     

基于凸模型的复杂多学科系统可靠性设计研究

复杂工程系统通常涉及到多个相互耦合的学科,而且其中往往存在不确定性因素。本文采用凸模型描述不确定性变量,将序列优化和可靠性评价方法应用于多学科可靠性优化之中,提出了一种新的多学科系统可靠性设计方法。在该方法中,可靠性分析采用功能度量法,多学科优化方法采用多学科可行方法或者二级系统一体化合成优化方法。数值算例和工程算例说明,该方法求解效率较常规嵌套求解方法效率高,为复杂工程系统的可靠性设计提供了一种新型求解算法。     

基于凸模型的复杂多学科系统可靠性设计研究

复杂工程系统通常涉及到多个相互耦合的学科,而且其中往往存在不确定性因素。本文采用凸模型描述不确定性变量,将序列优化和可靠性评价方法应用于多学科可靠性优化之中,提出了一种新的多学科系统可靠性设计方法。在该方法中,可靠性分析采用功能度量法,多学科优化方法采用多学科可行方法或者二级系统一体化合成优化方法。数值算例和工程算例说明,该方法求解效率较常规嵌套求解方法效率高,为复杂工程系统的可靠性设计提供了一种新型求解算法。     

基于多重子域代理模型的结构可靠性分析

基于合理子域概念,构建多重代理模型。多重代理模型在合理子域内采用经典响应面模型,在合理子域外采用经典Kriging模型,能够充分利用两种经典模型各自的优势。多重代理模型能够合理规避经典响应面模型中响应函数采取事先假定形式带来的可靠度评估风险,同时能够有效避免经典Kriging模型中试验点组合爆炸的问题。相比经典响应面模型,多重代理模型所需试验点数量并未增加,计算效率与经典响应面模型大体相同。算例表明,本文方法的计算结果与MCS的计算结果几乎一致,具有较好的计算精度。     

结构优化中的建模方法概述

建立优化模型是结构优化前的最佳选择. 由于工程实际问题的复杂性, 很难建立显式表达的模型, 即使少数问题能够建立显式表达的模型, 也难以求解. 因此需要借助近似方法建立模型, 为了便于求解或提高求解效率, 通常还要对模型进行变换. 文中列举了结构优化中常用的近似建模方法, 并根据建立近似显式的途径和敏度分析的方法对其进行分类, 详细介绍了近几年来广泛应用的样本点构造方法, 然后描述了它们在结构优化中的应用和具体实现过程, 分析了它们的优缺点和应用范围, 指出了结构优化建模方法今后的发展方向.      

Kriging模型及代理优化算法研究进展

针对传统超燃冲压发动机燃烧室构型设计中存在的计算周期长、试验成本高等问题, 提出一种燃烧室的Kriging代理模型, 并使用NSGA-II多目标优化算法以实现对超燃冲压发动机燃烧室构型参数高效的优化设计. 通过测试, 将应用Kriging代理模型的预测结果与CFD计算结果进行对比分析, 验证了该代理模型能够较为快速并准确地预测代表燃烧室性能的推力和压力损失系数. 以推力和压力损失系数为优化目标, 基于NSGA-II多目标优化算法, 通过该Kriging代理模型获得了Pareto最优解集; 然后, 采用灵敏度分析法对设计变量进行排序, 成功识别出了显著影响燃烧室性能的关键构型参数; 最后, 基于控制变量法针对单个设计变量的变化对超燃冲压发动机燃烧室性能的影响进行研究, 分析结果可以指导燃烧室的优化设计. 文章研究结果可加速超燃冲压发动机燃烧室构型的优化设计, 为其设计提供了一种新的思路和方法, 为后续的相关研究提供了有价值的参考和借鉴.

     

基于Kriging代理模型的两类全局优化算法比较

代理模型在结构优化领域中的应用逐渐增多。相对传统优化方法,代理模型方法在处理带有噪音或仿真模拟十分耗时的问题时有明显优势。加点准则是代理模型技术的一个关键,为了避免陷入局部最优解,加点准则需要同时考虑局部搜索(exploitation)和全局搜索(exploration)两部分并加以平衡。本文在Kriging代理模型基础上提出一种基于几何全局搜索的全局优化算法MSG(Multi-start Local Search with Geometrical Exploration),通过数值算例将其与基于不确定性全局搜索的有效全局优化算法EGO(Efficient Global Optimization)进行比较,研究了MSG算法参数的影响,并讨论了MSG与EGO各自的特点和适用范围。     

基于Kriging代理模型的结构形状优化方法研究

建立了一种进行结构形状优化的工程方法。该方法利用试验设计法选取位置变量样本点,并对各个样本点对应的结构进行尺寸优化,然后根据样本点和尺寸优化结果建立Kriging代理模型,再利用遗传算法求出位置变量最优解,进而得到结构最优解。最后进行了15杆平面拱式桁架、悬臂梁和25杆空间桁架三个形状优化算例,算例分析结果表明:该方法思路清晰、适应性强、优化效果明显,具有较大的工程应用价值。     

基于Kriging代理模型的迭代更新高效反演方法

为提高混凝土坝等大体积结构参数反演效率和精度,减少由于应用有限元进行大量正分析而产生的计算机时,建立了一种结合Kriging代理模型和粒子群优化(PSO)算法的迭代更新反演方法。通过拉丁超立方抽样(LHS)方法确定初始样本点的空间分布,并使用有限元正分析获取对应的响应值,构建粗糙的初始代理模型,结合具有全局寻优能力的PSO算法,反演大体积结构的分区弹性模量,随之再代入有限元模型中,计算获取新的位移响应,并将其作为新样本加入到样本集中,通过迭代更新获得局部更高精度的代理模型。工程实际算例表明,该方法对混凝土坝等大体积结构参数反演精度较高和适用性好,且能大幅减少传统有限元模型反演方法所需消耗的正分析机时,提高反演效率。     

基于元模型与聚类算法的设计空间减缩策略及工程应用

提出了一种基于元模型建模和聚类算法的设计空间减缩策略,能直接将设计空间减小到相对小的子空间。建议的方法分为三步:首先,进行低精度元模型建模,其次重新设计样本点并基于元模型求解样本点函数值和导数,应用最短距离层次聚类算法确定样本点聚类数与聚类中心,采用模糊c均值算法完成设计空间划分,生成设计空间子空间;最后,求解子空间目标函数的均值,确定保留子空间,并在保留子空间中对函数进行优化,达到目标函数全局最优解。测试函数和工程算例表明,该方法能够有效减小设计空间。     

基于主动学习Kriging模型的结构多失效模式可靠度计算

对于具有多失效模式的结构可靠度计算问题,利用多输出Kriging模型作为代理模型进行分析。该代理模型只需对所有功能函数进行一次建模,无需对每个功能函数建立各自的代理模型,且在建模过程中能够考虑各失效模式之间的相关性。本文方法设定的初始样本点不仅对随机变量均值附近区域给予足够重视,而且能够兼顾设计空间的边缘区域,进而确保初始代理模型在全局空间内具有较好精度,以减少后续利用学习函数更新代理模型的次数。数值算例表明,本文方法具有较好的计算精度和较高的计算效率,当失效模式较多时,计算效率大幅提升。     

代理模型在机翼油箱晃动适航审定中的应用

飞机飞行过程中,机翼油箱易受扰动或激励作用而产生低频晃动,引起机翼油箱壁面变形失效.本文将响应面代理模型引入飞机复合材料燃油箱晃动适航审定工作,以晃动频率、晃动幅值和油箱载液比为自变量,以油箱外壁面最大主应变峰值为响应,建立了油箱上下蒙皮响应面统计模型,给出油箱上下蒙皮最大主应变峰值与激励频率、幅值和油箱载液比等因素的显式响应函数.开展物理全尺寸试验和流固耦合数值模拟验证代理模型的有效性.结果 表明,上下蒙皮最大主应变峰值呈非线性趋势,存在最危险载液比使得主应变峰值最大化,且油箱破坏多发生在下蒙皮.     

高压捕获翼位置设计方法研究

高压捕获翼构型是一种合理利用机体/上置翼(简称捕获翼)间的耦合关系提高飞行器升力,进而大幅提高升阻比的高速飞行器新概念构型.基于其设计原理,捕获翼的位置与机体压缩激波和自身二次压缩激波的位置均直接相关,一般难以利用理论方法直接获得.针对这一问题,本文运用均匀实验设计方法在设计空间内获取样本点并利用计算流体力学分析和迭代获得其设计位置,之后通过构造代理模型建立捕获翼位置与设计参数间的模拟映射关系,进而发展了一种捕获翼位置设计的有效方法.在方法研究基础上以锥体-捕获翼组合构型作为实例对其进行验证.结果表明,该方法可在较大设计空间范围内准确判定捕获翼的设计位置.此外,针对这一构型还开展了基于代理模型的设计参数单因素分析.发现在设计空间内,前缘压缩角、来流马赫数、和捕获翼钝化半径等3个关键参数均与捕获翼位置呈单调正比例关系.     

基于Kriging代理模型的连梁金属阻尼器性能研究与参数优化设计

连梁阻尼器是剪力墙连梁结构中主要的耗能部件,其构造形式直接影响剪力墙的性能。本文从连梁阻尼器的几何特征入手,在用料相同的前提下,对四种典型开孔形式金属平面内屈服连梁阻尼器进行耗能性能对比研究,引入Kriging代理模型,构造出不同开孔尺寸与滞回耗能的关系。然后,分别对四种开孔形式的连梁阻尼器几何参数进行进一步优化,以获得最优构型。为简化优化迭代过程中反复的多步加载非线性求解计算,在优化过程中以Kriging代理模型作为反演优化平台,代替原有的几何参数与滞回耗能关系,并采用最大期望提高加点方法,不断提高代理模型在最优解附近的精度,在提高代理模型的代理精度同时,也提高了优化设计效率。所提算法为寻求一种形式简单、性能优越的金属平面内屈服连梁阻尼器提供了新的解决框架。