[發明專利]基于仿真和優化耦合的飛行器氣動外形設計方法及系統

有效

• 申請號: 202011135711.1
• 申請日: 2020-10-22
• 公開（公告）號: CN112016167B
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發明（設計）人: 武澤平;王文杰;王東輝;張為華;王鵬宇;楊家偉;張錫
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/20;G06F111/04
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 董惠文

本發明公開了一種基于仿真和優化耦合的飛行器氣動外形設計方法及系統，包括根據給定的飛行器外形模型確定飛行器外形參數化方法，得到設計變量；利用約束域實驗設計方法生成初始采樣點；使用高精度氣動仿真模型進行流場仿真計算，得到仿真流場分布，構建訓練集并生成全流場近似模型；對全流場近似模型預測設計空間內的最優點，并將其作為新采樣點；對新采樣點使用高精度氣動仿真模型進行仿真計算，得到新采樣點的仿真流場近似模型；當達到收斂判定條件時輸出新采樣點。本發明通過優化算法和仿真模型的深度耦合，實現仿真求解信息加速優化算法收斂和優化算法加速氣動仿真求解的雙重加速，從而大幅減少優化過程總耗時，提高氣動優化效率。

技術領域

本發明屬于飛行器氣動外形設計領域，尤其涉及一種基于仿真和優化耦合的飛行器氣動外形設計方法及系統。

背景技術

氣動外形設計是飛行器設計的重要內容，對飛行器總體性能具有重要影響。隨著飛行器性能要求的提高，飛行器設計更趨復雜，對氣動布局精細化設計提出了更高要求。

目前常用的氣動設計方法有：1、反設計方法，如文獻1“CARLSON L. A direct-inverse method for the prediction of transonic and separated flows aboutairfoils at high angles of attack[A]. 24th Aerospace Sciences Meeting[C].Reston, Virigina: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1986.”和文獻2“Greff E, Mantel J. An engineering approach to the inverse transonicwing design problem[J]. Communications in Applied Numerical Methods, 1986, 2(1): 47–56.”，要求給定設計狀態下的目標流場分布（通常是壓力或速度分布），通過不斷改變氣動外形、進行流場仿真計算，來逐步逼近給定目標流場分布，得到滿足要求的氣動外形。2、優化設計方法，將氣動分析方法和優化算法有機結合，將某些氣動特性作為目標函數直接進行尋優。在優化設計過程中，優化算法作為一個外部工具使用，通過靈活處理目標函數來施加約束、求解傳統反設計問題和新興的多目標、多學科優化設計問題等。在氣動優化設計領域中，常用的優化搜索算法可分為三類：基于梯度的優化算法、啟發優化算法和基于代理模型的優化方法。但是現有的啟動優化設計方法的缺點在于：反設計方法中目標流場分布的確定，要求設計者對設計目標有深入了解并擁有豐富設計經驗，且設計質量嚴重依賴于目標氣動特性的選取；另一方面，它難以處理氣動、幾何約束以及非設計點的性能約束。上述不足嚴重制約了反設計方法的發展，使其沒有得到大范圍應用.基于梯度的優化方法最大局限性在于容易陷入局部最優而難以找到全局最優，最終優化結果嚴重依賴于初始樣本集，屬局部優化方法而通常不具有全局性，一定程度上限制了其適用范圍和進一步發展。啟發式算法由于其隨機搜索特性，普遍存在收斂速度慢的特點，優化過程中需要對計算模型進行成千上萬次迭代。當面對高精度要求的工程優化問題時，結合耗時仿真模型將使計算量難以接受。這也是啟發式算法應用到工程中的最大障礙，大大限制了適用范圍。基于代理模型的優化方法存在優化算法與優化對象分離的問題。基于代理模型的優化方法采用計算效率較高的近似模型代替高精度仿真模型，有效提升了優化設計效率。在此過程中，仿真模型視作“黑箱”，近似模型只對“黑箱”的輸入輸出關系進行預測，對于耗時仿真模型產生的大量數據信息并不能充分利用，嚴重弱化了代理模型抓取真實模型本質特征的能力，極大限制了近似優化方法效率的進一步提升。在專利文獻CN111079228A“一種基于流場預測的氣動外形優化方法”中，雖然也使用代理模型進行氣動外形參數預測，但是從具體實施例和附圖中可以看出，其解決的是簡單的二維飛行器外形設計問題，如翼型和整流罩二維截面形狀參數設計，優化過程中只針對局部流場進行氣動外形參數的近似建模，且優化過程中網格無變形，故不能適用于復雜的三維飛行器外形優化設計問題，即不能針對飛行器外形全流場進行建模從而實現三維飛行器氣動外形參數的精確預測。