基于模块化通用平台策略的飞机族设计优化方法

论文摘要

飞机族,也称为飞机系列,是一组相关的、具有某些相似特征的不同飞机型号的集合。由于飞机族考虑了部件或子系统的通用性(即通用平台),因而能有效地缩短整个飞机系列的设计周期,降低开发成本,并使得使用和维护的费用大大降低。基于通用部件的飞机族策略已成为飞机制造企业实现商业成功的一种重要策略。飞机族设计不同于传统的单一机型的飞机设计模式,在概念设计阶段就要同时考虑多个机型的任务需求和技术要求,因此飞机族的设计有其新的设计内容和要求。本论文旨在研究飞机族的设计优化方法,主要贡献体现在以下几个方面:1)论文在分析和总结现有的产品族概念和设计方法基础上,提出了一种面向产品族的二级优化方法,为了减少优化过程中计算量,将代理模型引入到二级优化方法中,进一步提出了基于代理模型的二级方法,以一桁架族设计优化问题为例,验证了这种方法在产品族设计中的有效性。2)将有关产品族概念和方法应用于飞机设计,提出了飞机族设计的研究内容,即提出了飞机族的构型设计、总体参数优化、气动外形优化、结构设计优化和多学科设计优化问题。3)针对飞机族的总体参数优化问题,以干线客机族的总体参数设计为例,应用二级优化方法,研究了一种飞机族总体参数优化方法,研究结果表明这种方法能有效应用于飞机族总体参数的优选。4)针对飞机族的气动优化设计问题,以一支线客机族机翼气动外形设计优化问题为例,应用基于代理模型的二级优化方法,研究了一种飞机族气动外形的优化方法,为飞机族气动外形设计提供了一种有效的优化设计方法。5)针对飞机族的结构优化设计问题,以一支线客机族机翼的结构优化设计为研究对象,应用基于代理模型的二级优化方法和多目标的遗传算法,较好地解决了飞机族的结构优化设计问题。6)飞机族气动/结构的多学科设计优化是更为复杂的问题,以支线客机族机翼的气动/结构优化设计问题为例,对飞机族的多学科设计优化方法进行了探索。在飞机族气动优化和结构优化方法基础上,提出了一种面向飞机族多学科设计优化的三级优化框架,优化计算结果证明了这种方法的可行性。在本文的研究工作中,首次比较系统地将产品族的概念和方法应用于飞机族的设计研究。通过对飞机族的总体参数优化、气动外形优化、结构优化和多学科设计优化的研究,初步形成了一套具有特色的飞机族设计的优化方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 飞机族的概念
• 1.1.1 飞机族的实例
• 1.1.2 飞机族的定义和开发策略
• 1.2 飞机族设计与开发的重要性
• 1.3 飞机族设计所面临的问题
• 1.4 本文目的和内容
• 第二章 产品族设计的概念与方法
• 2.1 产品族开发策略和流程
• 2.2 产品族的相关概念和术语
• 2.3 产品族的设计方法
• 2.3.1 产品族构架的设计技术
• 2.3.2 产品族的参数设计
• 2.4 典型应用研究概述
• 2.5 小结
• 第三章 面向产品族的设计优化方法
• 3.1 产品族优化问题数学定义
• 3.2 面向产品族设计的单级优化方法
• 3.3 面向产品族的二级优化方法
• 3.4 基于代理模型的二级优化方法
• 3.4.1 代理模型
• 3.4.2 基于代理模型的二级优化流程
• 3.5 实现产品族优化设计的平台简介
• 3.6 桁架族优化设计算例
• 3.6.1 桁架产品族设计问题
• 3.6.2 用单级优化方法设计桁架族
• 3.6.3 用基于代理模型的二级优化方法设计桁架族
• 3.6.4 优化结果及分析
• 3.7 小结
• 第四章 飞机族设计的研究内容探讨
• 4.1 引言
• 4.2 飞机族构型设计和总体布置
• 4.2.1 高空长航时多任务“海神”飞机和“凯美拉”通用飞机
• 4.2.2 小型支线飞机族设计
• 4.2.3 75 座和 100 座支线喷气客机设计
• 4.2.4 对地攻击机族的设计方案研究
• 4.2.5 翼身融合体布局飞机族的方案设计
• 4.2.6 其它一些启发式规则
• 4.3 飞机族总体参数设计优化问题
• 4.4 飞机族气动外形参数设计优化问题
• 4.5 飞机族结构设计优化问题
• 4.6 飞机族多学科设计优化问题
• 4.7 小结
• 第五章 飞机族概念设计中总体参数优化方法
• 5.1 客机族的总体参数优化问题
• 5.1.1 飞机族的构型设计
• 5.1.2 飞机族总体参数优化问题的表述
• 5.2 基于二级优化的求解方法
• 5.3 总体参数设计的分析模型
• 5.4 优化过程的实现
• 5.5 优化结果与分析
• 5.6 小结
• 第六章 飞机族气动外形优化方法
• 6.1 飞机族的气动外形优化问题描述
• 6.1.1 飞机族机翼气动外形描述
• 6.1.2 飞机族机翼气动优化问题
• 6.2 飞机族气动外形设计的二级优化方法
• 6.2.1 二级优化方法
• 6.2.2 基于代理模块的二级优化方法
• 6.3 飞机族机翼外形建模与气动分析程序
• 6.3.1 机翼几何外形建模
• 6.3.2 气动分析程序
• 6.4 分析程序的集成与优化流程的实现
• 6.5 优化结果及分析
• 6.6 小结
• 第七章 飞机族的结构设计优化方法
• 7.1 飞机族机翼结构优化问题表述
• 7.2 飞机族结构设计的二级优化方法
• 7.3 飞机族机翼结构分析模型
• 7.3.1 机翼结构参数化布置模型
• 7.3.2 机翼结构有限元模型与优化模型自动生成
• 7.4 优化流程的实现
• 7.5 优化结果与分析
• 7.6 小结
• 第八章 飞机族机翼气动/结构一体化设计优化方法
• 8.1 飞机族机翼气动/结构多学科设计优化问题的描述
• 8.2 飞机族气动结构设计的多级优化方法
• 8.2.1 通用模块优化
• 8.2.2 专用模块气动/结构共享变量优化
• 8.2.3 专用模块单学科优化
• 8.3 优化流程的实现
• 8.4 优化结果与分析
• 8.5 小结
• 第九章 结束语
• 9.1 全文总结
• 9.2 进一步的研究工作
• 9.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录1 试验设计与代理模型
• 附录2 飞机概念设计的分析模块