北航飛行器多學科設計優(yōu)化復習題

1、飛行器多學科設計優(yōu)化復習題1. 優(yōu)化設計問題的三要素是什么？給出一個優(yōu)化設計問題的例子，分別說明三個要素的具體內(nèi)容。三要素分別是設計變量，約束條件和目標函數(shù)。以結構優(yōu)化設計為例，設計變量可能是蒙皮厚度，前后翼梁緣條厚度，前后翼梁腹板厚度等結構參數(shù)；約束條件是機翼強度要求、剛度要求等目標函數(shù)是最小化結構重量。2. 飛行器設計一般分哪幾個階段？飛行器多學科優(yōu)化設計有什么意義？飛行器設計分三個階段：概念設計、初步設計、詳細設計。飛行器 MDO

2、 的意義為：（1） MDO 符合系統(tǒng)工程的思想。能有效提高飛行器的設計質(zhì)量（2） MDO 為飛行器設計提供了一種并行設計模式。（3） MDO 的設計模式與飛行器設計組織體制一致，能夠?qū)崿F(xiàn)更高程度的自動化。（4） MDO 的模塊化結構使飛行器設計過程具有很強的靈活性。3. 在飛行器設計過程中，多學科設計優(yōu)化方法與傳統(tǒng)設計方法之間有哪些相同和不同點。傳統(tǒng)的飛行器設計優(yōu)化中 ,采取的是一種串行的設計模式，往往首先進行性能設計優(yōu)化 ,然后進行結

3、構、操縱和控制系統(tǒng)設計優(yōu)化 ,最后進行工藝裝備設計。在傳統(tǒng)的方法中，各個學科任務成了實現(xiàn)系統(tǒng)設計的最基本單元，影響飛機性能的氣動、推進、結構和控制等學科被人為地割裂開來，各學科之間相互耦合所產(chǎn)生的協(xié)同效應并未被充分考慮進去，這可能導致失去系統(tǒng)的整體最優(yōu)解，串行的模式也使得設計時間周期和成本大大增加 。而多學科優(yōu)化設計技術是一種并行設計模式，它以各子系統(tǒng)、學科的優(yōu)化設計為基礎，在飛行器各個階段力求各學科的平衡，充分考慮哥們學科之間的相互影

4、響和耦合作用，應用有效的設計/優(yōu)化策略和分布式計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)，來組織和管理整個系統(tǒng)的設計過程，通過充分利用各個學科之間的相互作用所產(chǎn)生的協(xié)同效應，以獲得系統(tǒng)的整體最優(yōu)解。相同點在于都有對于子學科的分解，但是 MDO 更注重子學科間的協(xié)同。4. 給出 MDO 的三種定義，根據(jù)你的理解，MDO 該如何定義？Definition1：MDO 是一種通過充分探索和利用系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機制來設計復雜系統(tǒng)和子系統(tǒng)的方法論。Definition2：

5、MDO 是指在復雜工程系統(tǒng)的設計過程中，必須對學科（子系統(tǒng)）之間的相互作用進行分析，并且充分利用這些相互作用進行系統(tǒng)優(yōu)化合成的方法。Definition3：多學科設計優(yōu)化就是進行復雜系統(tǒng)的設計過程中，結合系統(tǒng)的多學科本質(zhì)，充分利用各種多學科設計與多學科分析工具，最終達到基于多學科優(yōu)化的方法論。My Definition：當設計中每個因素都影響另外的所有因素時，確定該改變哪個因素以及改變到什么程度的一種設計方法。5. 多學科設計優(yōu)化中，什

6、么是學科分析？什么是系統(tǒng)分析？學科分析：也成為子系統(tǒng)分析或子空間分析，以某一學科設計變量，其他學科對該學科的耦合狀態(tài)變量和系統(tǒng)的參數(shù)為輸入，根據(jù)某一學科滿足的物理規(guī)律確定其物理特性的過程系統(tǒng)分析：對整個系統(tǒng)，給定一組設計變量 X，通過求解系統(tǒng)的狀態(tài)方程得到系統(tǒng)狀態(tài)變量的過程。要想各子系統(tǒng)單獨優(yōu)化得到的結構湊起來就是總系統(tǒng)全局最優(yōu)化的結果，那么各子規(guī)劃 SPi 是完全獨立的，即各子規(guī)劃和總規(guī)劃之間必須有如下聯(lián)系：（1） 總規(guī)劃 TP 的設

7、計變量由各子規(guī)劃 SPi 的設計變量的全體組成（2） 任一子規(guī)劃 SPi 目標的改善必須對總吧 TP 目標的改善做出積極的貢獻，這就要求總規(guī)劃 TP 的目標是各子規(guī)劃 SPi 目標的增函數(shù)。（3） 總規(guī)劃 TP 約束是諸子規(guī)劃 SPi 約束的全體原因：局部最優(yōu)組合非全局最優(yōu)是因為子系統(tǒng)之間有某種形式上的耦合，這個耦合可能為變量的耦合，目標的耦合和約束的耦合。11. 給出求解復雜系統(tǒng)多學科設計優(yōu)化問題的“分解-協(xié)調(diào)”法思路。對于復雜系統(tǒng)，

8、直接求解總規(guī)劃 TP,往往規(guī)模大，耦合復雜， “獨立”與“聯(lián)系”兩方面都要同時考慮而難以直接求解。構造一種新的規(guī)劃形式，把原總規(guī)劃 TP 中的“相對獨立”與“耦合聯(lián)系”兩種因素分開，以“分解”和“協(xié)調(diào)”兩種手段來分別處理“獨立”和“聯(lián)系”兩方面的問題，從而使一個大規(guī)模、復雜的總規(guī)劃 TP 分解為若干相對簡單的規(guī)劃。12. MDO 問題建模有哪些特點？MDO 問題建模要遵循什么原則？特點：一般直接對發(fā)雜的工程系統(tǒng)進行分析和設計相當困難，較

9、為有效的方法是將系統(tǒng)按部件或者按照學科分解成若干個子系統(tǒng)。在復雜系統(tǒng)的多學科設計優(yōu)化中，建立系統(tǒng)及子系統(tǒng)的設計、分析和優(yōu)化模型需要考慮的因素很多，學科間的耦合使得 MDO 問題的建模十分困難，比如物理模型建立的困難，數(shù)學模型建立的困難和模型求解的困難。由于實際問題的復雜性和多樣性，要尋求一種合適于 MDO 的問題建模的通用建模方法不可行。原則：（1）模型的準確性；（2）模型的實用性；（3）模型的適應性；（4）系統(tǒng)分解的合理性；（5）學科

10、間耦合關系的準確性；（6）系統(tǒng)設計目標與學科設計目標的協(xié)調(diào)性13. 給出可變復雜度建模方法的基本思路，并分析其在多學科設計優(yōu)化中的意義。思路：在優(yōu)化中使用計算成本高的精確分析方法同時也使用了計算成本低的近似分析方法；在迭代過程中主要采用近似分析方法，然后用精確分析方法獲得的修正因子來修正近似分析方法。意義：有效地降低 MDO 過程的計算成本。14. 飛行器設計中有哪些不確定性？分別舉例說明。信息不確定性：與飛行器載荷、材料屬性、物理尺寸

11、、工作環(huán)境、成本等相關的可變性決策不確定性：多個設計目標的選擇（最小起飛重量、最大航程、最小成本、最大可靠性）建模與仿真不確定性：飛行器氣動特性預估存在不同精度的變復雜度模型。技術不確定性：及采用新技術時產(chǎn)生的技術不確定性。15. 不確定性設計問題中，什么是穩(wěn)健設計問題，什么是可靠性設計問題？穩(wěn)健設計問題是尋找對不確定性變量有小改變相對不敏感的設計可靠性性設計是要獲取更小失敗可能性的設計穩(wěn)健設計側重于保證性能，可靠性設計側重于系統(tǒng)失效的