基于替代模型的飞行器稳健设计软件研究与开发
发布时间：2021-01-13 15:49
飞行器机翼气动外形的稳健设计是飞行器总体设计中的关键问题之一。一个稳健的机翼外形不仅能保证飞行器的安全,还能带来巨大的经济价值,实现飞行器高速高航程的设计目标。在飞行器机翼气动外形的设计中,为克服飞行器机翼受环境中不确定因素的影响而产生气动性能恶化问题,需要对飞行器机翼的气动外形进行相应的稳健性设计。然而,在飞行器机翼的三维稳健设计中却存在着CFD计算量大、试验周期长,气动性能难以求解等问题亟待解决。因此,本文提出了基于替代模型的飞行器稳健设计方法,该方法通过将试验设计、CFD技术与替代模型以及进化优化算法结合来进行气动外形的稳健设计。通过替代模型对飞行器气动性能进行预测,减少了优化求解中气动性能CFD的计算量,显著缩短了试验的周期,且能满足一定的求解精度需求。本文中对AGM-129隐身巡航导弹的三维主弹翼,进行了气动外形的稳健设计,详细阐述了稳健设计的整体流程。稳健设计结果表明,基于替代模型的稳健设计方法所获得的稳健弹翼,较基准弹翼外形具有更好的气动性能,验证了本文方法的正确性与有效性。此外,为实现飞行器气动外形稳健设计系统国产化的目标,本文参照Isight软件系统,建立了与本文方法...
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
稳健设计示意图
4周期。计算机试验模型的建模主要探索，如何获取所研究问题的系统模型y=f(x)的替代模型问题。工作中人们常设法将所研究的复杂问题，通过y=f(x)的数学模型进行表示，其中x为研究问题的输入设计变量，y为输入设计变量对应的响应输出。但是，当所探讨的研究问题在求解上越发复杂时，随之计算费用将增高、计算周期也将变长，其带来的成本上的增加将使人无法承受。为解决这一问题，在1987年Klcijncn提出了一种解决方案：构造一个近似模型或称替代模型[13]，来代替复杂的真实模型进行计算，可用y(x)=g(x)进行表示，替代模型原理如图1-2所示。计算机试验模型建模的常用方法主要有：人工神经网络建模、多项式回归模型建模、偏最小二乘法建模、B样条法建模以及Kriging模型建模等，其中Kriging[14]最初是由南非的地质学家D.G.Krigc在空间统计中提出并发展起来，之后Sacks等人在1989年将Kriging模型引入到了计算机试验中。人工神经网络是当前的热点研究领域，其经历了漫长的发展。1943年心理学家McCulloch与数学家Pitts提出了神经元的生物学模型，之后众多研究者们提出了各种人工神经网络的模型和算法，如学习规则、感知器模型、RBF径向基函数[15]等。到20世纪80年代后，随着计算机技术的高速发展以及人们面对的模型日益复杂，用人工神经网络来模拟自然现象、进行建模，已成重要的选择手段之一，神经网络对非线性模型的建模具有较好的效果。到1983年Wold等人提出了偏最小二乘（PLS）的概念，PLS可以实现多个因变量对多个自变量的回归建模，比逐个因变量做多元回归更加有效、可靠，整体性更强[16]。此外，PLS还解决了自变量之间的多重相关性问题，其在解决线性和非线性问题上都能有较好的效果。图1-2替代模型原理图替代模型常与进化优化算法结合进行最优
2基于替代模型的飞行器稳健设计方法9图2-1飞行器稳健设计总体流程图本文中三维飞行器机翼气动外形稳健设计的流程主要包括：二维翼型气动外形的稳健设计与三维机翼气动外形的稳健设计两大部分。其中，二维稳健设计与三维稳健设计均主要有五大关键步骤：确定设计研究的基准对象、进行试验设计、试验样本的CFD计算、建立替代模型以及进行优化求解。总体设计流程中，通过试验设计减少样本试验次数，替代模型对气动性能的预测降低CFD的计算以及进化优化算法加速稳健外形参数求解，将二维稳健翼型作为三维机翼的约束条件进行降维的操作，极大的降低了三维机翼气动外形稳健设计的工作强度，达到了降低计算量，提高设计效率，缩短试验周期的目的。在飞行器稳健设计CFD阻力响应值计算过程中，由于求解飞行器外形阻力的计算量非常庞大，无法使用CFD计算工具一一计算马赫数范围内各点马赫数处的飞行器阻力大小，因而对马赫数范围内阻力的均值与方差的计算就更加困难。因此本文采用通过建立飞行器气动外形的阻力大小关于外形设计变量以及马赫数的替代模型，来进行设计范围内各点马赫数处的阻力值的预测，使用预测的结果来获取阻力大小均值与方差的近似值。与传统直接通过CFD计算阻力大小相比，通过替代模型进行性能预测的计算量明显减少，且能保证一定的求解精度要求。本文中，飞行器稳健设计的核心为替代模型的建模。模型建模效果的优劣，将直接影响到后续优化过程，进而影响到稳健设计最终结果的正确性。因此，在模型建模完成后还需与CFD工具的计算结果进行对比，完成替代模型的效果检验。在替代模型建模阶段，本文采用克里金法（Kriging），偏最小二乘法（PLS），RBF插值，RBF神经网络四种方法来建立替代模型，之后再与两种进化优化算法—粒子群算法、?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Kriging元模型的柴油机连杆结构优化设计[J]. 刘晓洁. 机械设计与制造. 2020(01)
[2]高效粒子群算法研究及飞翼无人机气动隐身优化设计[J]. 樊华羽,詹浩,程诗信,米百刚,姚会勤. 航空工程进展. 2019(06)
[3]基于RBF的替代模型在翼型稳健设计中的应用[J]. 蔡文杰,黄俊,毕国堂,刘志勤,黎茂锋. 导弹与航天运载技术. 2019(06)
[4]基于偏最小二乘法的翼型稳健设计替代模型[J]. 蔡文杰,黄俊,黎茂锋,刘志勤,陈立伟. 计算机测量与控制. 2019(11)
[5]基于Isight的倾转旋翼飞行器前飞状态翼型优化[J]. 赵广,何国毅,王琦,罗云,王振. 航空工程进展. 2019(04)
[6]基于Python与flask工具搭建可高效开发的实用型MVC框架[J]. 牛作东,李捍东. 计算机应用与软件. 2019(07)
[7]机载空空导弹火控系统精度试验设计技术[J]. 陈敬志. 火力与指挥控制. 2019(04)
[8]2018年度国外高超声速飞行器发展动向[J]. 廖孟豪. 飞航导弹. 2019(03)
[9]动态偏最小二乘在软测量建模方法中的应用[J]. 高世伟,王忠民,洪梓榕. 自动化仪表. 2018(09)
[10]Global approximation based adaptive RBF neural network control for supercavitating vehicles[J]. LI Yang,LIU Mingyong,ZHANG Xiaojian,PENG Xingguang. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2018(04)
硕士论文
[1]基于WebGL的三维场景开发与应用的研究[D]. 于冰洋.成都理工大学 2019
[2]基于Vue.js的表单可视化构建系统的设计与实现[D]. 牛仁腾.华中科技大学 2019
[3]投影均匀下基于正交表的拉丁超立方体设计[D]. 于雪.东北师范大学 2018
[4]基于不确定性分析的可靠性稳健设计[D]. 李沐峰.电子科技大学 2018
[5]低雷诺数风力机翼型性能分析与优化研究[D]. 黄轩晴.湘潭大学 2017
[6]基于遗传算法的翼型优化设计[D]. 陈晓东.哈尔滨工程大学 2017
[7]离心泵叶轮的稳健性结构优化设计[D]. 胡文强.西华大学 2016
[8]飞行器设计中的稳健设计方法研究[D]. 丁继锋.西北工业大学 2006
本文编号：2975137
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
稳健设计示意图
4周期。计算机试验模型的建模主要探索，如何获取所研究问题的系统模型y=f(x)的替代模型问题。工作中人们常设法将所研究的复杂问题，通过y=f(x)的数学模型进行表示，其中x为研究问题的输入设计变量，y为输入设计变量对应的响应输出。但是，当所探讨的研究问题在求解上越发复杂时，随之计算费用将增高、计算周期也将变长，其带来的成本上的增加将使人无法承受。为解决这一问题，在1987年Klcijncn提出了一种解决方案：构造一个近似模型或称替代模型[13]，来代替复杂的真实模型进行计算，可用y(x)=g(x)进行表示，替代模型原理如图1-2所示。计算机试验模型建模的常用方法主要有：人工神经网络建模、多项式回归模型建模、偏最小二乘法建模、B样条法建模以及Kriging模型建模等，其中Kriging[14]最初是由南非的地质学家D.G.Krigc在空间统计中提出并发展起来，之后Sacks等人在1989年将Kriging模型引入到了计算机试验中。人工神经网络是当前的热点研究领域，其经历了漫长的发展。1943年心理学家McCulloch与数学家Pitts提出了神经元的生物学模型，之后众多研究者们提出了各种人工神经网络的模型和算法，如学习规则、感知器模型、RBF径向基函数[15]等。到20世纪80年代后，随着计算机技术的高速发展以及人们面对的模型日益复杂，用人工神经网络来模拟自然现象、进行建模，已成重要的选择手段之一，神经网络对非线性模型的建模具有较好的效果。到1983年Wold等人提出了偏最小二乘（PLS）的概念，PLS可以实现多个因变量对多个自变量的回归建模，比逐个因变量做多元回归更加有效、可靠，整体性更强[16]。此外，PLS还解决了自变量之间的多重相关性问题，其在解决线性和非线性问题上都能有较好的效果。图1-2替代模型原理图替代模型常与进化优化算法结合进行最优
2基于替代模型的飞行器稳健设计方法9图2-1飞行器稳健设计总体流程图本文中三维飞行器机翼气动外形稳健设计的流程主要包括：二维翼型气动外形的稳健设计与三维机翼气动外形的稳健设计两大部分。其中，二维稳健设计与三维稳健设计均主要有五大关键步骤：确定设计研究的基准对象、进行试验设计、试验样本的CFD计算、建立替代模型以及进行优化求解。总体设计流程中，通过试验设计减少样本试验次数，替代模型对气动性能的预测降低CFD的计算以及进化优化算法加速稳健外形参数求解，将二维稳健翼型作为三维机翼的约束条件进行降维的操作，极大的降低了三维机翼气动外形稳健设计的工作强度，达到了降低计算量，提高设计效率，缩短试验周期的目的。在飞行器稳健设计CFD阻力响应值计算过程中，由于求解飞行器外形阻力的计算量非常庞大，无法使用CFD计算工具一一计算马赫数范围内各点马赫数处的飞行器阻力大小，因而对马赫数范围内阻力的均值与方差的计算就更加困难。因此本文采用通过建立飞行器气动外形的阻力大小关于外形设计变量以及马赫数的替代模型，来进行设计范围内各点马赫数处的阻力值的预测，使用预测的结果来获取阻力大小均值与方差的近似值。与传统直接通过CFD计算阻力大小相比，通过替代模型进行性能预测的计算量明显减少，且能保证一定的求解精度要求。本文中，飞行器稳健设计的核心为替代模型的建模。模型建模效果的优劣，将直接影响到后续优化过程，进而影响到稳健设计最终结果的正确性。因此，在模型建模完成后还需与CFD工具的计算结果进行对比，完成替代模型的效果检验。在替代模型建模阶段，本文采用克里金法（Kriging），偏最小二乘法（PLS），RBF插值，RBF神经网络四种方法来建立替代模型，之后再与两种进化优化算法—粒子群算法、?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Kriging元模型的柴油机连杆结构优化设计[J]. 刘晓洁. 机械设计与制造. 2020(01)
[2]高效粒子群算法研究及飞翼无人机气动隐身优化设计[J]. 樊华羽,詹浩,程诗信,米百刚,姚会勤. 航空工程进展. 2019(06)
[3]基于RBF的替代模型在翼型稳健设计中的应用[J]. 蔡文杰,黄俊,毕国堂,刘志勤,黎茂锋. 导弹与航天运载技术. 2019(06)
[4]基于偏最小二乘法的翼型稳健设计替代模型[J]. 蔡文杰,黄俊,黎茂锋,刘志勤,陈立伟. 计算机测量与控制. 2019(11)
[5]基于Isight的倾转旋翼飞行器前飞状态翼型优化[J]. 赵广,何国毅,王琦,罗云,王振. 航空工程进展. 2019(04)
[6]基于Python与flask工具搭建可高效开发的实用型MVC框架[J]. 牛作东,李捍东. 计算机应用与软件. 2019(07)
[7]机载空空导弹火控系统精度试验设计技术[J]. 陈敬志. 火力与指挥控制. 2019(04)
[8]2018年度国外高超声速飞行器发展动向[J]. 廖孟豪. 飞航导弹. 2019(03)
[9]动态偏最小二乘在软测量建模方法中的应用[J]. 高世伟,王忠民,洪梓榕. 自动化仪表. 2018(09)
[10]Global approximation based adaptive RBF neural network control for supercavitating vehicles[J]. LI Yang,LIU Mingyong,ZHANG Xiaojian,PENG Xingguang. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2018(04)
硕士论文
[1]基于WebGL的三维场景开发与应用的研究[D]. 于冰洋.成都理工大学 2019
[2]基于Vue.js的表单可视化构建系统的设计与实现[D]. 牛仁腾.华中科技大学 2019
[3]投影均匀下基于正交表的拉丁超立方体设计[D]. 于雪.东北师范大学 2018
[4]基于不确定性分析的可靠性稳健设计[D]. 李沐峰.电子科技大学 2018
[5]低雷诺数风力机翼型性能分析与优化研究[D]. 黄轩晴.湘潭大学 2017
[6]基于遗传算法的翼型优化设计[D]. 陈晓东.哈尔滨工程大学 2017
[7]离心泵叶轮的稳健性结构优化设计[D]. 胡文强.西华大学 2016
[8]飞行器设计中的稳健设计方法研究[D]. 丁继锋.西北工业大学 2006
本文编号：2975137
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