基于Kriging代理模型的气动外形优化设计

发布时间：2017-09-01 22:19

  本文关键词：基于Kriging代理模型的气动外形优化设计

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【摘要】：基于Kriging代理模型,发展了一套高效、稳定的气动外形优化方法。首先对计算气动特性的CFD方法进行了介绍,包括控制方程、空间离散方法、时间离散方法等;然后研究了优化算法中的遗传算法,针对基本遗传算法可能存在“早熟”现象,本文采用了具有自适应交叉点数、自适应交叉概率和变异概率,考虑了生存压力,引入适当扰动的自适应遗传算法;接着重点论述了Kriging代理模型的相关理论,包括实验设计方法、Kriging代理模型的构建、动态Kriging代理模型、终止迭代的条件等,考虑到当样本点数量或设计变量较多时传统动态Kriging代理模型存在因模型超参数需不断更新导致计算效率下降的缺点,发展出具有M-MUMS超参数更新策略的改进动态Kriging代理模型,使得只有当模型超参数构建的Kriging代理模型精度较低时其才会被更新;此外,介绍了气动外形参数化和动网格方法,重点论述了FFD参数化方法以及四面体非结构网格线弹性体动网格方法,同时亦对动网格方法涉及的大型稀疏线性方程组的求解方法做了简要介绍;最后,应用本文发展的方法分别对跨声速机翼和超声速升力体进行减阻优化设计,结果显示,优化后两者的阻力系数分别下降11.21%和10.26%,而作为约束条件的升力系数和容积率基本保持不变,此外,与基于传统动态Kriging代理模型的优化结果相比,本文发展的优化方法在保证搜索精度的同时亦有更高的计算效率。
【关键词】：Kriging代理模型 CFD方法 遗传算法 参数化 动网格 气动外形优化
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V221.3
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-14
• 第一章 绪论14-19
• 1.1 研究目的及意义14
• 1.2 研究现状14-17
• 1.2.1 直接法和基于梯度的数值优化算法15
• 1.2.2 启发式算法15
• 1.2.3 基于代理模型的优化算法15-17
• 1.2.4 多种方法协同的优化算法17
• 1.3 本文主要工作17-19
• 第二章 流场数值计算方法19-38
• 2.1 引言19
• 2.2 控制方程19-21
• 2.3 空间离散21-32
• 2.3.1 有限体积法21-24
• 2.3.1.1 控制体的几何特征21-23
• 2.3.1.2 格点格式23-24
• 2.3.1.3 非结构网格有限体积法24
• 2.3.2 对流通量24-28
• 2.3.2.1 HLLC格式25-28
• 2.3.3 边界条件28-32
• 2.3.3.1 物面边界条件29
• 2.3.3.2 远场边界条件29-32
• 2.3.3.3 对称边界条件32
• 2.4 时间离散32-35
• 2.4.1 LU-SGS隐式时间离散32-35
• 2.5 数值算例验证35-37
• 2.5.1 ONERA M6机翼跨声速绕流数值模拟35-37
• 2.6 本章小结37-38
• 第三章 遗传算法的基本理论与应用38-52
• 3.1 引言38
• 3.2 基本遗传算法38-43
• 3.2.1 遗传编码39-40
• 3.2.1.1 二进制编码40
• 3.2.2 适应度函数40-41
• 3.2.3 遗传算子41-42
• 3.2.3.1 选择算子41
• 3.2.3.2 交叉算子41-42
• 3.2.3.3 变异算子42
• 3.2.4 控制参数42-43
• 3.3 自适应遗传算法43-48
• 3.3.1 生存压力控制函数43-44
• 3.3.2 交叉点数控制函数44-45
• 3.3.3 交叉概率控制函数45-46
• 3.3.4 变异概率控制函数46
• 3.3.5 自适应研究46-48
• 3.4 数值算例验证48-51
• 3.4.1 Schaffer's F6函数48-50
• 3.4.2 Rosenbrock's函数50-51
• 3.5 本章小结51-52
• 第四章 Kriging代理模型52-67
• 4.1 引言52
• 4.2 实验设计方法52-54
• 4.2.1 拉丁超立方采样方法52-54
• 4.2.2 空间填充拉丁超立方采样方法54
• 4.3 Kriging代理模型的构建54-56
• 4.4 传统动态Kriging代理模型56-59
• 4.4.1 MP更新策略56-57
• 4.4.2 EI最优更新策略57-59
• 4.5 改进动态Kriging代理模型59-61
• 4.5.1 M-MUMS超参数更新策略59-61
• 4.5.1.1 模型评估59-60
• 4.5.1.2 更新准则60-61
• 4.6 避免病态相关矩阵61-62
• 4.7 终止迭代的条件62
• 4.8 数值算例验证62-66
• 4.8.1 Branin函数62-64
• 4.8.2 Haupt函数64-66
• 4.9 本章小结66-67
• 第五章 气动外形参数化及动网格方法67-83
• 5.1 引言67
• 5.2 FFD参数化方法67-71
• 5.2.1 FFD参数化方法的基本原理68-69
• 5.2.2 局部坐标的求解69-71
• 5.3 线弹性体动网格方法71-79
• 5.3.1 基本概念71-72
• 5.3.2 四面体非结构网格线弹性体动网格方法72-77
• 5.3.3 弹性模量和泊松比的计算77-78
• 5.3.4 大型稀疏线性方程组的求解78-79
• 5.3.4.1 整体刚度矩阵的存储78
• 5.3.4.2 约束处理78-79
• 5.3.4.3 数值计算方法79
• 5.4 测试算例79-82
• 5.5 本章小结82-83
• 第六章 三维气动外形优化设计83-94
• 6.1 引言83
• 6.2 优化计算流程83-84
• 6.3 气动外形优化算例与分析84-92
• 6.3.1 跨声速机翼的减阻优化84-89
• 6.3.2 超声速升力体的减阻优化89-92
• 6.4 本章小结92-94
• 第七章 总结与展望94-96
• 7.1 工作总结94-95
• 7.2 工作展望95-96
• 参考文献96-100
• 致谢100-101
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文101

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 徐兆可;夏健;高宜胜;;基于三维非结构网格的连续伴随优化方法[J];南京航空航天大学学报;2015年01期

2 阎超;甘文彪;;大型飞机气动设计中的CFD技术[J];航空制造技术;2010年14期

3 阎超;都彦U，

本文编号：774722