[發明專利]一種高超聲速飛行器結構的多學科多約束序貫優化方法

在審

• 申請號: 202010629973.7
• 申請日: 2020-07-03
• 公開（公告）號: CN111950075A
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發明（設計）人: 王曉軍;許宇聲;王磊
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/20;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 張乾楨;賈玉忠

本發明公開了一種高超聲速飛行器結構的多學科多約束序貫優化方法，該優化方法將多學科多約束耦合問題中的多約束條件進行解耦循環，首先進行結構強度約束下的優化，根據結構強度優化的結果，將其作為氣動彈性約束優化的初始設計點，進行氣動彈性子優化。其次根據每個周期內的氣動彈性優化結果進行結構強度優化中強度約束條件的平移修正。最后在新的強度約束條件下，重新進行結構強度約束下的優化和設計點到可行域距離的求解。重復進行上述過程直至收斂，可以得到同時滿足結構強度約束和氣動彈性約束的最終設計點。本方法在保證優化結果可靠性的前提下，減少了飛行器結構優化過程中氣動彈性的迭代分析次數，降低了計算成本，提高了優化效率。

技術領域

本發明涉及結構強度優化設計的技術領域，具體涉及一種基于熱環境下高超聲速飛行器結構的多學科多約束序貫優化方法。

背景技術

高超聲速飛行器在設計過程中必須要考慮力熱耦合造成的結構影響。多場耦合的復雜服役環境一方面造成了多學科計算時求解上的困難，同時也影響著結構優化設計過程，如優化過程耗時且難以找到最優解等。傳統的多學科多約束優化求解過程中往往出現優化過程中由于多個約束存在造成難以收斂或過早收斂的情況，同時優化過程耗時較長。因此為了獲得足夠優異的結構性能，高超聲速飛行器在進行結構設計優化時必須要考慮多場耦合情況下的多學科優化的精細化設計手段。

由于多學科優化問題的目的在于滿足多個學科的目標或者約束，因此往往存在多個學科間互相耦合情況，且隨著優化的進行，會出現一個變量同時影響多個學科，進行計算分析就會出現計效率降低的情況，Wu Y等人提出了一種基于近似等價確定性約束的優化求解策略，將這一概念從單約束問題擴展到基于安全因子的多約束可靠性分析問題。其中，序貫優化與可靠性分析方法(Sequential optimization and reliability analysis,SORA)通過平移當前設計方案下逆最大可能點到確定性邊界上，從而保證下一次循環中該設計方案滿足可靠性，是其中一種較為有效的方案。相較于常規的雙層嵌套策略，單層策略的高效性已經得到了眾多案例的驗證，也是未來的研究熱點之一。Li等提出了序貫多學科可靠性分析方法(Sequential multidisciplinary reliability analysis approach,SMRA)。該方法結合了并行子空間策略和PMA方法，在實行過程中序貫執行多學科分析，系統靈敏度分析和可靠性分析。Zhang和Huang提出了考慮混合不確定性(隨機不確定性和模糊不確定性)的多學科優化設計方法，并搭建了對應的序貫優化和可靠性分析框架。上述序貫優化方法從不確定約束出發，在雙層嵌套策略中有較好的發揮，但在實際工程問題中，約束條件往往是更加繁雜的，其各自的計算成本也是巨大的，而其他傳統的優化策略在面對多學科多約束問題時更是存在迭代次數多、計算資源耗費龐大、求解過程緩慢等問題。本發明針對高超聲速戰斗機所面臨的復雜服役環境，充分考慮氣動加熱對結構應力、模態、氣彈的影響，通過直接耦合或間接耦合的方式，分析得到結構熱模態、熱氣彈、熱強度結果，綜合考慮系統設計目標和學科設計目標的協調性以及學科間的耦合，建立多約束綜合優化策略，并構建多約束優化求解策略實現高超聲速戰斗機考慮熱影響下的高精度優化求解，在保證精度的前提下，大大提高了計算效率。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：本發明提供了一種基于熱環境下高超聲速飛行器結構的多學科多約束序貫優化方法。該優化方法的核心在于將多學科多約束耦合求解問題中的的多個約束條件進行解耦循環，在保證優化結果可靠性的前提下，減少了飛行器結構優化過程中氣動彈性的迭代分析次數，降低了計算成本，提高了優化效率。

本發明采用的技術方案為：一種基于熱環境下高超聲速飛行器結構的多學科多約束序貫優化方法，該方法針對基于熱環境的高超聲速戰斗機這一特殊情況，在進行結構設計優化時，以結構減重為設計目標，以結構熱模態約束、熱強度約束及熱顫振約束為優化模型約束，其優化模型如下：