[發明專利]一種并行子空間優化的臨近空間飛艇多學科優化設計方法

在審

• 申請號: 201611264683.7
• 申請日: 2016-12-30
• 公開（公告）號: CN106650156A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 趙磊
• 申請（專利權）人: 北京天恒長鷹科技股份有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京辰權知識產權代理有限公司11619
• 代理人: 郎志濤

1.一種并行子空間優化的臨近空間飛艇多學科優化設計方法，其特征在于，包括：

步驟一、規劃臨近空間飛艇總體設計流程，明確優化變量、約束和目標以及氣動、結構和能源子系統耦合關系；

步驟二、分別對所述氣動、結構和能源子系統進行參數化建模并分析；

步驟三：訓練樣本點建立樣本空間，搭建代理模型；

步驟四：在ISIGHT平臺上構建基于氣動、結構和能量的并行子空間的優化框架，執行優化進程。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟一包括：

通過分析臨近空間飛艇的總體任務需求，選定艇體外形，結合實際要求和試飛經驗選擇艇體長度、體積和表面積的實用范圍，進而對氣動、結構和能源子系統進行變量的分配和設置；

氣動、結構和能源子系統的耦合關系通過推阻平衡、浮重平衡和能量平衡進行體現，并把所述推阻平衡、浮重平衡和能量平衡作為優化框架里的一部分約束條件。

3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟二包括：

1)艇體參數化建模：首先是基于CATIA VB腳本二次開發的幾何模型建模，所述艇體參數化建模過程目的是把優化進程中的變量變化寫入腳本，在模型中體現出來，結果模型用于后續流場分析；

2)用步驟1)中生成的model幾何文件來進行基于ICEM CFD Tcl腳本二次開發的網格劃分，生成的mesh文件用于Fluent CFD流場解算，得到艇體氣動載荷的分布和阻力值。

4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，對于結構拓撲分析，其幾何建模和分析均是基于ABAQUS Python腳本二次開發來進行的，分析得到艇體的應力分布、位移分布和艇體重量。

5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，對于能源子系統的參數化建模及其分析包括：

首先，基于MATLAB進行能參數化建模，把能源參數中的太陽能電池陣單元數量在優化進程中的變化實時寫入程序；

其次，建立太陽輻射和晝間太陽能收集模型，通過最終耗能模型，來進行能源系統能量平衡的評估；

最后整合臨近空間飛艇各個部件質量，得到總的質量模型。

6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述質量模型包括飛艇固定質量、結構質量和太陽能電池陣列質量，所述固定質量包括推進系統、航電、儲能電池和其承載結構部分，所述結構質量包括艇體、吊艙、艇首尾和浮升氣體部分。

7.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟三包括：

(1)系統樣本點信息收集：通過所述氣動、結構和能源三個子系統在基于優化拉丁超立方實驗設計運行得到一系列的樣本空間；

(2)初始化代理模型：運用Kriging方法建立代理模型；

(3)代理模型可行性的驗證：通過代理模型生成的樣本空間和真實仿真結果作對比，具有足夠精度即可用于系統優化進程；

(4)若在優化迭代過程中代理模型的精度不夠，就逐步更新樣本空間，逐步的在優化循環過程中增加樣本數量和變換模型的系統參數。

8.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟四所采用的優化系統包括：

循環控制模塊System，其通過約束條件來判斷整個迭代的收斂情況，從而控制整個優化進程；

計算器模塊Calc last，其將上一次計算的總重與當前計算總重區分，分別賦予兩個不同的變量，便于循環控制模塊進行比較；

全局優化模塊Global Optimization和局部優化模塊LocalOptimization，其都是基于代理模型的優化模塊，其中，GlobalOptimization采用多島遺傳算法，Local Optimization采用序列二次規劃算法；

氣動子系統優化模塊Aerodynamic optima analysis，能源子系統優化模塊Energy optima analysis，結構子系統優化模塊Structure optima analysis，

計算器模塊Calcmass&delta，用于對載荷重量進行賦值，以及總重和浮重平衡的統計；

樣本點更新模塊DOE update，其通過高精度的氣動、結構和能源子系統計算的優化數據來不斷地對樣本點進行更新。