飛行器總體參數(shù)優(yōu)化的進(jìn)化算法及其應(yīng)用研究.pdf

1、飛行器設(shè)計(jì)是綜合多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)工程，在初步方案設(shè)計(jì)階段，需要根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，構(gòu)造合理的優(yōu)化模型，應(yīng)用有效的工程數(shù)值計(jì)算方法、優(yōu)化計(jì)算方法和決策方法，完成飛行器總體參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供滿足設(shè)計(jì)要求的優(yōu)化方案，為進(jìn)一步的詳細(xì)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。 穩(wěn)定高效的優(yōu)化計(jì)算方法是飛行器總體參數(shù)設(shè)計(jì)的有力工具。傳統(tǒng)的優(yōu)化算法計(jì)算效率較高，但是對(duì)設(shè)計(jì)問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型依賴(lài)很大，其單點(diǎn)搜索方式很難確保獲得全局最優(yōu)解。相比之下，進(jìn)化算法對(duì)設(shè)計(jì)問(wèn)題的數(shù)學(xué)模

2、型要求較低，適用范圍較廣，其群體搜索模式提供了信息共享機(jī)制，使搜索效率得到提高。因此，進(jìn)化算法適于解決飛行器總體參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。 本文建立了飛行器總體參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)框架，歸納了飛機(jī)總體參數(shù)設(shè)計(jì)需要的工程計(jì)算方法、優(yōu)化計(jì)算方法和多目標(biāo)決策方法。 為了探求有效的優(yōu)化計(jì)算方法，深入研究了進(jìn)化算法的一個(gè)新的分支——粒子群優(yōu)化算法。在分析算法原理和收斂性的基礎(chǔ)上，將其與遺傳算法進(jìn)行了比較?？梢园l(fā)現(xiàn)，該算法依靠基于群體信息共享的智能

3、進(jìn)化，使搜索過(guò)程緊跟當(dāng)前的優(yōu)勢(shì)個(gè)體，因而計(jì)算效率比較高。為了加快算法收斂速度和保持群體多樣性、提高局部搜索能力，構(gòu)造了幾種改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法。通過(guò)求解數(shù)值測(cè)試函數(shù)優(yōu)化、桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化和機(jī)翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題，驗(yàn)證了粒子群優(yōu)化算法是一種魯棒、高效的優(yōu)化計(jì)算方法，適于求解復(fù)雜工程優(yōu)化問(wèn)題。 對(duì)于多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通常希望能夠得到具有穩(wěn)態(tài)和均勻性的多目標(biāo)優(yōu)化非劣解集，使設(shè)計(jì)者對(duì)可能的設(shè)計(jì)方案有全面的認(rèn)識(shí)，以便更好地進(jìn)行權(quán)衡、折衷和決策，提高

4、設(shè)計(jì)效率。將粒子群優(yōu)化算法拓展到多目標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化，為了提高算法的搜索效率，保持非劣解集的多樣性，并盡可能使其分布更加廣泛，構(gòu)造了穩(wěn)定高效的新算法——基于小生境技術(shù)的模擬退火-多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法。應(yīng)用該算法求解了多目標(biāo)數(shù)值優(yōu)化問(wèn)題，并求解了可重復(fù)使用運(yùn)載器機(jī)翼外形多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的非劣解集。 實(shí)際工程設(shè)計(jì)問(wèn)題與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和偏好緊密相連。物理規(guī)劃方法根據(jù)設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)不同程度的期望值，構(gòu)造偏好函數(shù)，將多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)換成單目

5、標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，求得反映設(shè)計(jì)者偏好的非劣解，為多目標(biāo)決策提供了有效手段。通過(guò)均勻調(diào)整偏好設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用物理規(guī)劃方法求解多目標(biāo)優(yōu)化非劣解集的方法。通過(guò)建立決策矩陣，指導(dǎo)偏好設(shè)置，發(fā)展了新的交互式物理規(guī)劃方法，使設(shè)計(jì)過(guò)程緊跟設(shè)計(jì)者的意圖。應(yīng)用物理規(guī)劃方法，求解了多目標(biāo)數(shù)值優(yōu)化模型的非劣解，求解了民用飛機(jī)總體方案多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的非劣解。應(yīng)用交互式物理規(guī)劃方法，求解了吸氣式高超聲速飛行器前體/進(jìn)氣道布局多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。在飛行器總體參數(shù)優(yōu)化

6、設(shè)計(jì)框架下，將前述的進(jìn)化算法和多目標(biāo)決策方法應(yīng)用于飛行器氣動(dòng)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)。提出了一種新的翼身融合的滑翔式高超聲速飛行器布局方案。應(yīng)用基于二次曲線的模線設(shè)計(jì)方法，完成了飛行器外形的參數(shù)化建模；應(yīng)用基于牛頓流理論的高超聲速氣動(dòng)特性估算方法，對(duì)飛行器進(jìn)行氣動(dòng)特性計(jì)算，并且進(jìn)行了簡(jiǎn)化的二維平面內(nèi)的飛行軌跡仿真和優(yōu)化；以升阻比和體積效率最大化為設(shè)計(jì)目標(biāo)，縱向靜穩(wěn)定性為約束，建立了飛行器氣動(dòng)布局多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，應(yīng)用粒子群優(yōu)化算法、多目標(biāo)粒子群優(yōu)