第六章飞机总体参数优化 6.1飞机总体参数的多学科设计优化 611多学科设计优化的基本概念 飞机总体设计是一个复杂的系统工程,覆盖了多个学科的内容,例如空气动力学、结构 学,推进理论,控制论等。对某一个学科领域,进行计算分析和优化设计,可以建立起数学 模型和计算软件,对于复杂的工程系统,目前很难建立起统一的分析和优化的数学模型,只 能是各子系统模型和计算软件的“总装配”,这种装配式的设计必将是低效耗时和昂贵的, 它包括了大量的设计变量,性能状态变量,约東方程,各个系统模型相互交叉影响,各个设 计目标对设计变量的要求相互矛盾,子系统的构成可能是由不同领域的专家甚至在不同地点 来操作运行的。因此需要发展一种高效适合于象飞机这样的复杂工程系统设计优化的方法。 多学科设计优化( Multidisciplinary Design Optimization)技术就是解决由相互耦合的物理现 象控制的,由若干不同的交互子系统构成的复杂工程系统设计的有效方法。多学科设计优化 技术在提供变量、约束、性能间交互作用和耦合信息的基础上实现同时满足各学科和系统约 束的设计,具有对各种设计方案迅速进行折衷分析的能力。多学科设计优化已成为研究的热 点是许多国际学术会议讨论的主题。它不仅仅是学术研究,已经用于工程实践,如在飞机改 型设计中,以最小重量和成本代价对现有飞机实现改变设计要求,迅速计算出设计参数对性 能的影响,有效控制寿命周期费用。 多学科设计优化是一种解决大型复杂工程系统设计过程中耦合与权衡问题,同时对整个 工程进行综合优化设计的有效方法。它利用计算机网络技术集成各个学科(子系统)的知识, 应用有效的设计优化策略,组织和管理设计过程,充分利用子系统之间相互作用产生的协同 效应,获得系统的整体最优解。通过并行设计缩短设计周期,多学科设计优化与现代制造技 术中的并行工程思想是一致的,多学科设计优化技术有下列特点: 1,通过对整个系统的优化设计解决不同学科间权衡问题,给出整个系统的最优设计方 案,提高设计质量 2,通过直接或间接的数值计算方法解决各学科之间的耦合问题,容易获得各学科之间 协调一致的设计,消除了过去依靠经验试凑迭代计算解决耦合问题 3,通过系统分解使计算并行化成为可能,通过计算机网络将分散在不同地区和设计部 门的计算模块和专家组织起来,实现并行设计,使系统的综合优化设计变得简单。 4,通过近似技术和可变复杂性模型的分析方法,减少系统分析次数,提高设计优化效 5,通过系统和各子系统数学模型的模块化以及它们之间有效的通讯及其组织形式,使 各学科各计算模块之间数据传输量和所需附加操作尽可能少。 612协同优化( Collaborative optimization) 协同优化将优化设计问题分为两级:一个系统级和并行的多个学科级。系统级向各学科 级分配系统级变量的目标值,各学科级在满足自身约束的条件下,其目标函数应使在本学科 优化得到的系统级变量值与系统级分配下来的目标值的差距最小,经学科级优化后,各目标 函数再传回给系统级,构成系统级的一致性约束以解决各学科间系统级变量的不一致性。由195 第六章 飞机总体参数优化 6.1 飞机总体参数的多学科设计优化 6.1.1 多学科设计优化的基本概念 飞机总体设计是一个复杂的系统工程，覆盖了多个学科的内容，例如空气动力学、结构 学，推进理论，控制论等。对某一个学科领域，进行计算分析和优化设计，可以建立起数学 模型和计算软件，对于复杂的工程系统，目前很难建立起统一的分析和优化的数学模型，只 能是各子系统模型和计算软件的“总装配”，这种装配式的设计必将是低效耗时和昂贵的， 它包括了大量的设计变量，性能状态变量，约束方程，各个系统模型相互交叉影响，各个设 计目标对设计变量的要求相互矛盾，子系统的构成可能是由不同领域的专家甚至在不同地点 来操作运行的。因此需要发展一种高效适合于象飞机这样的复杂工程系统设计优化的方法。 多学科设计优化（Multidisciplinary Design Optimization）技术就是解决由相互耦合的物理现 象控制的，由若干不同的交互子系统构成的复杂工程系统设计的有效方法。多学科设计优化 技术在提供变量、约束、性能间交互作用和耦合信息的基础上实现同时满足各学科和系统约 束的设计，具有对各种设计方案迅速进行折衷分析的能力。多学科设计优化已成为研究的热 点是许多国际学术会议讨论的主题。它不仅仅是学术研究，已经用于工程实践，如在飞机改 型设计中，以最小重量和成本代价对现有飞机实现改变设计要求，迅速计算出设计参数对性 能的影响，有效控制寿命周期费用。 多学科设计优化是一种解决大型复杂工程系统设计过程中耦合与权衡问题，同时对整个 工程进行综合优化设计的有效方法。它利用计算机网络技术集成各个学科（子系统）的知识， 应用有效的设计优化策略，组织和管理设计过程，充分利用子系统之间相互作用产生的协同 效应，获得系统的整体最优解。通过并行设计缩短设计周期，多学科设计优化与现代制造技 术中的并行工程思想是一致的，多学科设计优化技术有下列特点： 1, 通过对整个系统的优化设计解决不同学科间权衡问题，给出整个系统的最优设计方 案，提高设计质量 2, 通过直接或间接的数值计算方法解决各学科之间的耦合问题，容易获得各学科之间 协调一致的设计，消除了过去依靠经验试凑迭代计算解决耦合问题。 3, 通过系统分解使计算并行化成为可能，通过计算机网络将分散在不同地区和设计部 门的计算模块和专家组织起来，实现并行设计，使系统的综合优化设计变得简单。 4, 通过近似技术和可变复杂性模型的分析方法，减少系统分析次数，提高设计优化效 率 5, 通过系统和各子系统数学模型的模块化以及它们之间有效的通讯及其组织形式，使 各学科各计算模块之间数据传输量和所需附加操作尽可能少。 6.1.2 协同优化（Collaborative Optimization） 协同优化将优化设计问题分为两级：一个系统级和并行的多个学科级。系统级向各学科 级分配系统级变量的目标值，各学科级在满足自身约束的条件下，其目标函数应使在本学科 优化得到的系统级变量值与系统级分配下来的目标值的差距最小，经学科级优化后，各目标 函数再传回给系统级，构成系统级的一致性约束以解决各学科间系统级变量的不一致性。由