CN108197368A - 一种适用于飞行器复杂气动外形的几何约束及权函数简捷计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于飞行器复杂气动外形的几何约束及权函数简捷计算方法，采用全新的复杂气动外形优化设计几何约束的评估方法和基于灵敏度多点优化权函数选择的方法，准确方便地计算出任意复杂外形的厚度、容积等几何约束，兼容离散表面多块对接网格、离散表面非结构网格等；权函数选择能够充分利用已有权函数数据的有效信息，具有权系数选择指导性，从而充分挖掘基于灵敏度优化技术的设计潜力。

Description

一种适用于飞行器复杂气动外形的几何约束及权函数简捷计 算方法

技术领域

本发明涉及飞行器气动优化设计几何约束评估以及基于灵敏度的多点设计领域，尤其是复杂气动外形的几何约束评估与多点优化权函数选择。

背景技术

在飞行器复杂气动外形优化设计中，几何约束的评估是进行工程设计的一个关键因素，几何约束直接影响了设计空间的确定以及目标函数的分布特征，从而进一步影响优化设计效率以及飞行器设计品质，准确简便的几何约束评估方法是开展严谨的工程设计、为优化决策系统提供有效几何信息的前提。

实际型号工程设计中，飞行器气动设计均为典型的多点优化问题，基于伴随方程灵敏度的数值优化具有较高的设计效率，将在未来飞行器气动设计领域发挥重要作用，对于基于灵敏度信息的多点数值优化设计来说，通常采用的是加权函数处理方式进行高效优化，构造空间目标函数：

F＝ω₁f₁+ω₂f₂+ω₃f₃+......

如何根据气动外形高效方便地进行几何约束的计算，是设计人员以及优化设计系统研发人员非常关心的问题，例如对于复杂外形的厚度、体积评估，非规则外形、非传统外形给几何约束的计算带来的挑战，尤其是目前最为广泛使用的，基于离散网格点的气动优化问题中，该技术显得尤为重要。

如何合理地、高效地选择权函数是减小设计计算量、提高设计效率，有效满足指标的关键因素，也是设计人员、优化决策系统最为关心的问题，尤其是基于灵敏度的优化设计，该问题显现的更加突出，该项技术是最大程度上挖掘灵敏度设计潜力的关键技术。

然而，在实际飞行器气动优化过程中，以上两个环节面临很多问题，如何用最简捷最高效的方式解决这些难点是工程设计人员最关注的方面。

A：复杂气动外形优化设计几何约束的评估面临的困难

复杂飞行器气动外形的几何约束评估困难，非规则外形的容积计算困难；

对于复杂外形离散表面网格点信息的气动优化，尤其是多块非规则对接网格以及非结构型网格，厚度几何约束评估困难，无法找到上下表面严格的坐标对应信息，即便是简单外形，体积以及厚度计算也极为不方便；

多约束问题中，基于离散表面网格点传统样条、曲面插值的几何约束计算量较为庞大、操作繁琐，甚至不可行。

B：基于灵敏度多点优化权函数选择面临的困难

传统的权系数选择极度依赖经验，盲目性较强，不具备有效的指导性与导向性；

权系数选择的盲目性以及导向性差，使得设计人员需要反复试凑，带来了计算量庞大的问题，导致设计效率极为低下。

相比较于进化方法，无法给出较多的可行解，可供选择的余度不大；

针对多设计指标需求，无法给出合理的权系数分布，人工经验力不从心。

发明内容

本发明的目的是针对上述两个方面，提出简捷有效的、操作方便的处理方法，该方法能够较为准确方便地计算出任意复杂外形的厚度、容积等几何约束，兼容离散表面多块对接网格、离散表面非结构网格等；权函数选择能够充分利用已有权函数数据的有效信息，具有权系数选择指导性，从而充分挖掘基于灵敏度优化技术的设计潜力。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于飞行器复杂气动外形的几何约束及权函数简捷计算方法，包括复杂气动外形优化设计几何约束的评估和基于灵敏度多点优化权函数选择两部分，其中：

复杂气动外形优化设计几何约束的评估包括以下步骤：

首先、对于厚度约束类计算，建立可以合并的Plot3D格式的媒介体网格、参数化逻辑坐标，该媒介体网格是与气动外形完全一致的中间型网格，采用简单拓扑用来简化约束计算难度，避免复杂的曲面、样条插值运算，

依据采用FFD、CST等参数化方法同时操作气动外形与媒介体内网格变化，

根据规范的逻辑顺序设计变形的媒介体内网格，快速计算出厚度分布，

其次，对于体积约束类计算，无需规范逻辑顺序，建立多块与物面完全一致的、多块Plot3D格式的媒介体内网格，

依据采用任意一种参数化方法同时操作气动外形与媒介体内网格变化，

依据高斯格林公式计算变化后的媒介体内网格，求和得到总体积信息；

基于灵敏度多点优化权函数选择包括以下步骤：

对于多点优化，首次选取若干个权系数，采用插值或逼近方法，建立线性的虚拟pareto前沿；

依据设计指标，利用虚拟pareto前沿再次选择权系数分布，基于灵敏进行优化设计，将新的设计结果加入集合，建立非线性的虚拟pareto前沿；

基于高可信度CFD技术检查新的设计结果是否满足设计指标，若满足，结束设计，若不满足重新设计指标。

在上述技术方案中，所述厚度约束类计算媒介体内网格只能采用结构网格。

在上述技术方案中，所述体积约束类计算媒介体内网格可以采用结构网格，也可以采用非结构网格。

在上述技术方案中，在体积约束类计算，对于复杂的气动外形，采用非结构四面体进行飞行器体内网格填充。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

我们通过大量的气动优化设计算例证明，两个部分提出的解决方法，能够胜任任意复杂外形的约束计算，操作极为方便，已经是目前工程设计的最优先选择；对于多点设计问题的权系数选择，思路非常简便，效果非常明显，对于工程常用的多目标优化通常5～10个循环就能基本满足设计指标需求，对于伴随方法灵敏度优化，每个循环耗时较少。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是采用体积媒介网格(非结构体内)对典型部件计算的误差对比；

图2是厚度分布值与媒介网格计算值绝对误差对比；

图3是“虚拟pareto”示意图以及循环示意图；

图4是优化结果多设计点校核。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本发明采用两个部分进行设计，其中：

第一部分为复杂气动外形优化设计几何约束的评估，采用以下步骤：

一、基于数字化模型，转换为CFD软件能够识别的数据格式；

二、确定设计剖面、以及厚度、体积约束位置；

三、划分如图1所示的体积、厚度计算媒介网格，体积计算媒介网格可以是结构网格，也可以是非结构网格，厚度计算媒介网格必须是结构网格；

四、将媒介网格与离散物面网格一起读入参数化程序，该参数化程序采用FFD技术，确定参数化方法的节点矢量：

其中N代表递推公式，u_i,u分别代表节点矢量分布与当地逻辑参数。

五、采用牛顿拉夫逊方法进行逻辑坐标运算，建立任意空间向正则空间R³→R'³的映射函数X＝F(x)，通过FFD基函数叠加运算的反问题来求解逻辑坐标s,t,u。

六、采用基函数累加方式，结合媒介网格的逻辑坐标，优化过程中，媒介网格与离散表面网格做一致变形，通过以下公式计算新的媒介网格的笛卡尔坐标：

其中X'代表气动外形笛卡尔坐标，P′是笛卡尔坐标下的设计变量，B是基函数，s,t,u是气动外形逻辑变量。

七、根据新的媒介网格的笛卡尔坐标，由简单的代数运算(媒介网格上下点的欧氏距离)以及高斯格林公式快速求解出厚度、弯度、体积等几何信息，进一步向设计系统反馈。

八、媒介网格的引入，避免了复杂的曲面、样条插值运算，适用于任意复杂气动外形的几何约束判断，大幅度降低了操作难度，很大程度上简化了设计过程，提高了优化软件的设计能力。

给出了媒介网格计算约束的有效性，及支持结构表面离散网点，也支持非结构表面离散网点，需要指出的是，媒介网格有别于计算网格，不参与CFD计算，仅在参数化变形时与CFD表面网格(结构/非结构)共用设计变量，一致变形从而高效求解几何信息。

第二部分是基于灵敏度多点优化的权函数选择在设计中应用的具体步骤，包括以下步骤：

一、根据设计需要，确定巡航马赫数、飞行高度和设计状态；

二、准备好计算网格、边界条件以及设计主控文件；

三、选取初始的权重系数分布组合(2～3个)，并设置对应加权型目标函数；

四、利用CFD技术获得流场分布，进一步求解以下伴随方程以及灵敏度计算公式，求解加权型目标函数对应的灵敏度信息：

其中I代表目标函数，可以是升力、阻力、流量等，Λ是伴随变量，R是流场残差，X是设计变量。

五、扰动设计变量，根据媒介网格的逻辑坐标，以及FFD空间映射函数，快速计算出几何约束的梯度；

六、根据灵敏度信息进行优化，得到初始权重系数组合下，优化设计结果对应的各个设计状态的目标函数；

七、利用权重系数组合优化的各个设计状态的目标函数，基于RBF神经网络方法，构造(逼近)出目标空间中“虚拟的pareto前沿”；

八、利用“虚拟的pareto前沿”插值出能够满足结合设计指标的新虚拟点，及其对应的权函数组合，进入第四步，进一步优化，构造可信度更高的“虚拟pareto前沿”；

九、检查设计指标是否满足，若满足，则终止设计；否则，进入第四步；

十、一般5～10次循环即可满足设计需求(三个目标以下)，基于CFD技术对最终设计目标权函数组合进行校核，分析其气动特性，图4给出了优化结果多设计点校核，以及设计压力云图与设计剖面压力分布对比。图2、图3验证了该方法的高效性与设计导向性；

该方法不仅得到最终满足设计指标的权函数组合以及设计结果，同时也建立了具有选择余度的目标函数可行解集合的虚拟神经网络模型，当工程设计中设计指标有所调整时，上述循环获取的“虚拟pareto前沿”可以对新的指标提供有效的导向性权函数选择。

本发明并不局限于前述的具体实施步骤。在扩展到具体工程问题中，可以采用新的步骤，媒介网格可以采用其他数据格式，和其他划分思路；虚拟pareto前沿逼近方法可以采用其他数学模型，推荐使用神经网络模型。

Claims (4)

1.一种适用于飞行器复杂气动外形的几何约束及权函数简捷计算方法，包括复杂气动外形优化设计几何约束的评估和基于灵敏度多点优化权函数选择两部分，其特征在于：

复杂气动外形优化设计几何约束的评估包括以下步骤：

首先、对于厚度约束类计算，建立可以合并的Plot3D格式的媒介体网格，以及参数化外形对应的逻辑坐标，

依据FFD、CST等参数化方法同时操作气动外形与媒介体内网格变化，

根据规范的逻辑顺序设计变形的媒介体内网格，快速计算出厚度分布，

其次、对于体积约束类计算，无需规范逻辑顺序，建立与物面一致的多块Plot3D格式的媒介体内网格，

依据采用任意一种参数化方法同时操作气动外形与媒介体内网格变化，

依据高斯格林公式计算变化后的媒介体内网格，求和得到总体积信息；

基于灵敏度多点优化权函数选择包括以下步骤：

对于多点优化，首次选取若干个权系数，采用插值或逼近方法，建立线性的虚拟pareto前沿；

依据设计指标，利用虚拟pareto前沿再次选择权系数分布，基于灵敏进行优化设计，将新的设计结果加入集合，建立非线性的虚拟pareto前沿；

基于高可信度CFD技术检查新的设计结果是否满足设计指标，若满足，结束设计，若不满足重新设计指标。

2.根据权利要求1所述的一种适用于飞行器复杂气动外形的几何约束及权函数简捷计算方法，其特征在于：所述厚度约束类计算媒介体内网格只能采用结构网格。

3.根据权利要求1所述的一种适用于飞行器复杂气动外形的几何约束及权函数简捷计算方法，其特征在于：所述体积约束类计算媒介体内网格可以采用结构网格，也可以采用非结构网格。

4.根据权利要求3所述的一种适用于飞行器复杂气动外形的几何约束及权函数简捷计算方法，其特征在于：在体积约束类计算，对于复杂的气动外形，采用非结构四面体进行飞行器体内网格填充。