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作者：吴宗谕国防科学技术大学

学位级别：硕士

亚轨道飞行器作为当今先进飞行器的代表,具有巨大的军事和商业价值,其相关技术的发展受到各国高度重视。论文以亚轨道飞行器为研究对象,为提高其总体设计水平,系统研究了多学科设计优化相关技术的理论以及应用,初步建成了一套适用于亚... 详细信息

亚轨道飞行器作为当今先进飞行器的代表,具有巨大的军事和商业价值,其相关技术的发展受到各国高度重视。论文以亚轨道飞行器为研究对象,为提高其总体设计水平,系统研究了多学科设计优化相关技术的理论以及应用,初步建成了一套适用于亚轨道飞行器的多学科设计优化方法,并将其应用于亚轨道飞行器总体设计优化问题中。首先,研究了径向基近似建模方法。通过对影响径向基近似模型近似精度的重要因素深入分析,给出了一种基于灵敏度分析的设计空间分解方法,并在此基础上提出了基于空间分解的参数优化径向基近似建模方法。借鉴经济学中的Pareto定律,提出了基于Pareto定律参数优化的径向基近似模型构造方法。并且对上述两种径向基模型构造方法进行了算例测试。其次,研究了基于离散梯度方向的快速序贯优化算法。基于试验设计方法对优化算法初始样本点的选取进行了研究。提出离散梯度方向的概念,并将其运用到优化算法中。通过试验设计方法和离散梯度方向的结合,并借鉴禁忌搜索算法中禁忌表的思想,提出基于离散梯度方向的快速序贯优化方法。然后,建立了亚轨道飞行器各学科模型以及气动学科近似模型。针对亚轨道飞行器,分别建立了气动学科、弹道学科、控制学科和质量学科数学模型,并对气动学科进行了近似建模。最后,以亚轨道飞行器为研究对象,对亚轨道飞行器总体方案多学科设计优化进行了研究。建立了基于近似模型的亚轨道飞行器总体设计优化问题的数学模型和基于概率偏差的亚轨道飞行器总体设计优化问题的数学模型,以起飞质量最小为主要优化目标,对该问题进行了求解,得到了一套较优的亚轨道飞行器总体设计方案。论文对多学科设计优化技术中的近似模型和优化算法进行了系统研究,并将其应用于亚轨道飞行器的总体设计优化过程中。为亚轨道飞行器高精度近似建模技术以及复杂系统优化问题的快速求解技术的发展奠定了良好的基础,促进了多学科设计优化方法在亚轨道飞行器上的应用。针对亚轨道飞行器多学科优化总体设计方案的初步探索,对我国开展亚轨道飞行器的研究具有一定的参考价值。

关键词：亚轨道飞行器多学科设计优化近似模型空间分解 Pareto定律离散梯度

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飞行器MDO代理模型理论与应用研究

飞行器MDO代理模型理论与应用研究

作者：朱雄峰国防科学技术大学

学位级别：硕士

代理模型技术是飞行器MDO设计过程中不可或缺的一个重要的手段和研究内容,通过代理模型技术可以大幅减少各个学科的设计优化时间,使MDO过程中的各种复杂优化过程变得现实可行,实现在确保设计精度要求下,提高整体设计优化效率。本文的主... 详细信息

代理模型技术是飞行器MDO设计过程中不可或缺的一个重要的手段和研究内容,通过代理模型技术可以大幅减少各个学科的设计优化时间,使MDO过程中的各种复杂优化过程变得现实可行,实现在确保设计精度要求下,提高整体设计优化效率。本文的主要研究工作正是以代理模型技术作为研究对象,通过寻求现有代理模型技术的改进和新的代理模型技术,以提高代理模型的推广能力,为此开展了以下几个方面的研究: (1)综合分析了现有代理模型技术的优缺点,以指导在实际应用过程中根据对具体问题的具体分析,在确保推广能力的情况下,选择最优性能的代理模型;(2)分析了基本BP神经网络学习算法的优缺点,结合遗传算法的全局寻优特性,提出了综合梯度算法和最优样本继承遗传算法的混合学习算法,并对该改进的BP神经网络学习算法的学习效率进行了测试,验证了其优越性;(3)分析了径向基插值代理模型的特点,指出在插值基函数满足Mercer条件下,径向基插值本质上是一类高维分类器;将结构风险原理引入径向基插值,得到径向基插值的结构风险与插值基函数常数项的关系,提出了基于结构风险最小的径向基插值代理模型,测试算例验证了改进后的代理模型的推广能力;(4)分析了插值型代理模型的基本特点,指出了影响插值型代理模型推广能力的主要因素是模型函数的振荡特性,提出了定量描述插值型代理模型振荡特性的能量函数方法,并应用能量函数来衡量插值型代理模型的振荡特性,进而用于评价代理模型的推广能力,测试算例验证了能量函数评价准则的有效性;(5)分析了能量函数的特点,指出能量函数本质上是以样本点为约束的变分问题,提出了服从能量函数评价准则的有限元插值代理模型;推导了一维和二维的有限元插值代理模型,测试算例表明该代理模型具有较好的推广能力;(6)研究了某飞行器部件级平尾的气动和结构的多学科设计优化,采用基于结构风险最小的径向基插值代理模型,分别进行气动和结构的单学科优化;以及气动和结构结合的多学科设计优化;应用研究验证了基于结构风险最小的径向基插值代理模型的高效性,设计结果表明基于代理模型的气动和结构MDO设计比单学科设计有更优的结果

关键词：代理模型推广能力混合学习算法能量函数法有限元插值多学科设计优化

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高超声速巡航导弹爬升段轨迹优化研究

高超声速巡航导弹爬升段轨迹优化研究

作者：冯绍东国防科技大学

学位级别：硕士

本文以X-51A飞行器为对象,研究高超声速巡航导弹爬升段的轨迹优化问题,建立了优化所需的运动方程组、大气模型、气动力模型和推力模型,分析了导弹在爬升飞行过程中的各种约束条件,运用Radau伪谱法和序列二次规划法对爬升段轨迹进行了优... 详细信息

本文以X-51A飞行器为对象,研究高超声速巡航导弹爬升段的轨迹优化问题,建立了优化所需的运动方程组、大气模型、气动力模型和推力模型,分析了导弹在爬升飞行过程中的各种约束条件,运用Radau伪谱法和序列二次规划法对爬升段轨迹进行了优化仿真。首先,建立了高超声速巡航导弹运动方程组。针对纵向运动,方程组进行了分解和简化,得到了导弹纵向运动的简化方程组;考虑导弹爬升飞行高度跨度在15～30km范围内,基于杨炳尉大气模型,拟合得到了15～30km高度范围内的大气密度指数模型;利用仿真所得气动力数据,分析比较各种经验拟合模型,获得了精度较高的气动力模型。基于已有数据拟合比冲和质量流率变化规律,建立推力模型。然后,建立了高超声速巡航导弹爬升段轨迹优化模型,确立了爬升段轨迹优化的所有约束条件和目标函数,并给出了约束的具体值。针对爬升段的飞行走廊,设计了高度-速度直线爬升模式,并得到了其标准轨迹和跟踪轨迹,从而为优化过程提供初步预估值。分别以最省燃料和最快为目标,采用Radau伪谱法和序列二次规划法进行了轨迹优化仿真,取得了较优的效果。优化结果表明该轨迹优化方法较为有效,计算结果具有较强稳定性,也说明了爬升段轨迹优化的复杂性,侧面说明了爬升段轨迹优化的必要性。此外,本文还提出了一种基于遗传算法(Genetic Algorithm,GA)和序列二次规划法(Sequential Quadratic Programming,SQP)的GASQP混合优化算法,该算法相比GA和SQP,在优化性能上有显著的提升。

关键词：高超声速轨迹优化爬升段 Radau伪谱法序列二次规划法 GASQP

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基于概率偏差的战术导弹总体方案设计技术

基于概率偏差的战术导弹总体方案设计技术

作者：刘常青国防科学技术大学

学位级别：硕士

导弹总体偏差量的存在直接影响到导弹总体的实际性能。论文以提高存在总体偏差量情况下的战术导弹总体设计水平为目标,充分考虑导弹总体偏差量对导弹总体实际性能的影响,在分析总体偏差量特点基础上,研究导弹总体偏差量概率模型的建立方... 详细信息

导弹总体偏差量的存在直接影响到导弹总体的实际性能。论文以提高存在总体偏差量情况下的战术导弹总体设计水平为目标,充分考虑导弹总体偏差量对导弹总体实际性能的影响,在分析总体偏差量特点基础上,研究导弹总体偏差量概率模型的建立方法,并建立基于偏差量的导弹总体方案设计模型,在此基础上进行总体方案优化设计和分析。论文主要研究内容如下: 首先,总结了导弹设计过程中偏差量因素的来源,分析了工程中偏差量的常见模型,针对导弹设计中小样本数据建模这一关键问题,引入Bayes理论,与经典数理统计方法相结合,针对数据来源分布已知和未知两种情况,提出了常规小样本数据建模方法和基于Bayes统计推断的小样本建模方法,并给出了小样本数据建模的统一流程图。然后,针对战术防空导弹打击来袭目标的一个特定任务场景,将偏差量因素耦合到弹道模型中,研究了偏差量模型的抽样技术,给出了小样本情况下偏差量的抽样方法。通过对偏差量的抽样,采用Monte Carlo仿真方法,初步设计了可行飞行弹道,并分析了弹道的统计特性。接着,基于导弹的偏差弹道模型,分析导弹研制成本和周期与导弹试验数据获取容量的关系,将研制成本和周期因素同精度指标一起作为优化目标,组织随机不确定性优化过程,仿真计算得到了最优设计方案,定性分析了计算复杂性,计算了仿真次数与设计结果可信度之间的关系。最后,对最优设计方案进行了结果分析,包括最优设计方案对最优设计点和约束的灵敏度分析,最优设计点对固定参数和约束的灵敏度分析以及约束受到破坏时将会产生的影响,对设计变量和约束的控制要求给出了建议。本文得到的最优设计方案虽然是针对特定的任务场景得到的,但其整个的设计流程和思路具有普遍的借鉴意义。

关键词：战术导弹偏差量随机不确定性优化抽样

基于多项式插值代理模型的飞行器MDO技术研究

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基于多项式插值代理模型的飞行器MDO技术研究

作者：李光昱国防科学技术大学

学位级别：硕士

飞行器多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization，MDO)技术是当今航空航天领域研究的热点问题之一，特别是在以高超声速飞行器为代表的先进飞行器设计中尤为重要。论文以解决高超声速飞行器设计中高维、高复杂度、高耦合... 详细信息

飞行器多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization，MDO)技术是当今航空航天领域研究的热点问题之一，特别是在以高超声速飞行器为代表的先进飞行器设计中尤为重要。论文以解决高超声速飞行器设计中高维、高复杂度、高耦合的问题为出发点，从代理模型技术、全局优化算法两个方面开展研究，研究了多元多项式插值代理模型技术，提出了基于局部加点策略的多元高阶多项式插值代理模型技术、基于遗传算法/蚁群算法/序列二次规划算法的三方法协作优化算法以及将代理模型技术和全局优化算法相结合形成基于代理模型优化算法，并将以上方法应用于高超声速飞行器总体方案设计和高超声速乘波构型飞行器气动外形优化设计中，获得到了有价值的成果。论文进行了以下几点研究：首先，分析了现有代理模型技术，研究了多元多项式插值代理模型技术。研究了多元多项式插值模型的基本理论及概念，二元二阶、三元二阶拉格朗日多项式插值模型以及一般空间内的多元多项式插值模型，研究了多元多项式插值模型的适定性和余项误差问题。利用代数几何理论中的Grobner基工具构造多元多项式插值基函数，完成多元多项式插值模型的构造。提出了基于局部加点策略的多元高价多项式插值代理模型技术，算例测试表明基于局部加点策略的多元高价多项式插值代理模型技术具有较高的近似精度。其次，为了提高优化算法在高维复杂模型上的搜索效率以及优化精度，在分析了遗传算法、蚁群算法、序列二次规划算法各自特点基础之上，提出了基于遗传算法/蚁群算法/序列二次规划算法的三方法协作优化算法。采用全局优化函数对该优化算法进行了算例测试，验证了三方法协作优化算法的全局最优特性以及在高维复杂目标函数优化上所具有的优势。最后，基于多元多项式插值代理模型技术和基于遗传算法/蚁群算法/序列二次规划算法的三方法协作优化算法，进行了高超声速飞行器总体方案设计优化和高超声速乘波构型飞行器的气动外形设计优化，研究表明，基于局部加点策略的多元高阶多项式插值代理模型和三方法协作优化算法取得了很好的近似效果和优化效果，所获得的优化结果对高超声速飞行器多学科设计优化具有一定参考价值。总之，论文对飞行器MDO技术中的代理模型技术和全局优化算法进行了深入研究，对已有的代理模型技术和全局优化算法做出了改进。将提出的方法应用于高超声速飞行器多学科设计优化之中，获得了有价值的结果，对飞行器MDO技术研究具有一定的理论与应用意义。

关键词：多学科设计优化代理模型多元多项式插值吻切锥乘波构型多方法协作高超声速飞行器

基于近似模型的亚轨道飞行器多学科设计优化研究

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基于近似模型的亚轨道飞行器多学科设计优化研究

作者：张辰国防科学技术大学

学位级别：硕士

亚轨道飞行器由于不需要具备进入地球轨道的能力,相对于轨道飞行器具有体积小、能耗小、维护成本小、发射方式灵活、可重复使用等特点,成为当今世界正在广泛研究的一类新型飞行器。多学科设计优化方法应用于航空航天等复杂设计领域,能... 详细信息

亚轨道飞行器由于不需要具备进入地球轨道的能力,相对于轨道飞行器具有体积小、能耗小、维护成本小、发射方式灵活、可重复使用等特点,成为当今世界正在广泛研究的一类新型飞行器。多学科设计优化方法应用于航空航天等复杂设计领域,能够明显缩短产品的设计周期,提高设计质量。近似模型技术作为多学科设计优化的关键技术之一,能够解决模型复杂、非线性的难题。建立学科近似模型代替原有复杂模型,既能够保证模型的精度,又能加快优化的效率,降低设计的成本。论文针对重复使用亚轨道飞行器的气动学科开展近似模型理论和气动学科近似建模研究,并应用于亚轨道飞行器多学科设计优化中。首先,对常用的近似建模方法和试验设计等理论进行研究,分析了拟合型近似建模方法和插值型近似建模方法的优缺点和适用范围。其次,对亚轨道飞行器的基准外形进行CAD参数化处理和数值仿真计算分析,基于对气动学科建模仿真自动化集成方法的研究,对亚轨道飞行器气动学科进行了近似建模分析。然后,提出基于期望增长函数(EI函数)方法对径向基插值近似模型进行了改进,显著提高了亚轨道飞行器气动学科近似建模的收敛速度和预报精度。最后,通过对亚轨道飞行器返回段多学科设计优化任务的分析,应用改进的径向基插值模型,对几何外形、气动、结构、弹道学科进行集成,运用协同优化过程对亚轨道飞行器基准外形进行了迭代优化。优化结果显示在满足各种约束的前提下,亚轨道飞行器气动性能得到提高,同时质量得到减小。论文对亚轨道飞行器近似建模理论、气动建模和仿真自动化集成方法、优化过程和多学科设计优化集成技术进行了细致的研究。提出了基于EI方法的径向基插值近似模型方法,并建立了亚轨道飞行器多学科设计优化的总体方案和基本流程,对亚轨道飞行器总体设计具有一定的参考价值。

关键词：亚轨道飞行器多学科设计优化近似模型径向基插值试验设计

Kriging模型研究及其在重复使用运载器优化中的应用

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Kriging模型研究及其在重复使用运载器优化中的应用

作者：余秀伟国防科学技术大学

学位级别：硕士

作为一种新的运输工具,重复使用运载器具有显著降低航天运输成本,提高运载能力、发射频率和发射可靠性的潜力,有巨大的经济和军事价值。论文以重复使用运载器为对象,研究了两极优化算法和N-Kriging模型,建立了各学科模型,在考虑学科不... 详细信息

作为一种新的运输工具,重复使用运载器具有显著降低航天运输成本,提高运载能力、发射频率和发射可靠性的潜力,有巨大的经济和军事价值。论文以重复使用运载器为对象,研究了两极优化算法和N-Kriging模型,建立了各学科模型,在考虑学科不确定性的情况下,进行了不确定性多学科设计优化,获得了满足约束要求的总体方案。首先,提出了一种新的全局优化算法——两极优化算法。算法首先采用局部优化算法搜索局部最优解,然后搜索局部最优解周围的最劣解跳出局部最优,并通过Householder变换和一维搜索扩大搜索区域,以最大程度获取全局最优解。在函数测试中,两极优化算法找到最优点的概率大于遗传算法和粒子群算法。其次,推导出采样值存在测量误差时的N-Kriging模型,并给出相应的预估方差表达式。仿真实验结果表明:本文提出的方法在预估点获得的误差标准差与函数测试得到的误差标准差符合地很好,证明了该方法可以对预估误差标准差进行有效估计,为基于可靠性的不确定性优化奠定基础。然后,对重复使用运载器的机翼进行参数化建模,利用拉丁超立方采样建立了不同参数下的运载器几何外形。利用Cart3D仿真软件计算运载器的气动力参数,采用N-Kriging模型建立气动学科模型,并分别建立了重复使用运载器的结构模型、弹道学科模型、质量学科模型和控制学科模型。最后,针对重复使用运载器进行了不确定性多学科设计优化。以确定性优化结果为基准,利用显著性分析获得各项不确定性因素对约束的影响,选择对约束影响最大的6项不确定性因素进行不确定性优化,获得了满足约束可靠性要求的总体方案。论文研究了多学科设计优化的优化算法和近似模型,并应用于重复使用运载器的不确定性多学科设计优化中,获得了满足约束可靠性要求的优化方案,验证了不确定性多学科设计优化方法在重复使用运载器初步设计阶段的有效性,为重复使用运载器的进一步研究提供了有益的借鉴。

关键词： N-Kriging模型两极优化算法重复使用运载器不确定性多学科设计优化

亚轨道飞行器机翼外形多学科设计优化技术研究

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亚轨道飞行器机翼外形多学科设计优化技术研究

作者：黄思园国防科学技术大学

学位级别：硕士

亚轨道飞行器作为新型飞行器，涉及多个学科领域，其机翼作为飞行器返回阶段提供升力的主要结构，对飞行弹道产生重要影响。设计合适的机翼外形是亚轨道飞行器设计的重要任务之一。多学科优化设计技术是用于解决航空航天领域复杂系统的... 详细信息

亚轨道飞行器作为新型飞行器，涉及多个学科领域，其机翼作为飞行器返回阶段提供升力的主要结构，对飞行弹道产生重要影响。设计合适的机翼外形是亚轨道飞行器设计的重要任务之一。多学科优化设计技术是用于解决航空航天领域复杂系统的一种有效的设计方法。近似模型是多学科优化设计的关键技术之一，通过近似模型可以实现高精度分析模型与多学科优化设计的联系。论文从多学科设计优化角度出发，分析了常用的近似模型的优缺点，并通过改进试验设计，提出了基于分区加点策略的近似建模方法，将其应用于机翼外形多学科设计优化中。首先，研究了机翼气动分析技术。基于Matlab和Pro/E软件提出了一种较为简单的亚轨道飞行器机翼外形CAD参数化建模方法;对非结构网格划分及其在机翼流场计算中的收敛性进行了分析研究;通过亚轨道飞行器着陆段气动性能分析确定了飞行器着陆段的飞行攻角;对亚轨道飞行器机翼流场进行数值仿真，并实现了CAD、CFD的参数自动化。其次，研究了试验设计方法和近似建模技术。提出了基于分区加点策略的试验设计方法，以及基于分区加点策略试验设计和Kriging模型的近似建模技术。通过测试函数验证了该方法可以在保证精度的同时减少样本点，进一步改进后在建模初期可以加快近似模型的收敛速度;将基于分区加点策略近似模型应用于飞行器驻点气动热分析，得到了较好的效果。然后，研究了学科模型集成技术，实现了学科分析工具以及基于分区加点策略近似建模方法的集成，并应用于亚轨道飞行器机翼气动近似建模中，通过优化分析，验证了近似模型的精度较高。最后，以亚轨道飞行器助推返回飞行为背景，建立机翼结构质量、着陆段气动性能、弹道以及总体优化模型。采用协同优化集成实现亚轨道飞行器机翼外形多学科设计优化;结果较好地验证了机翼外形多学科设计优化方法的有效性。论文对亚轨道飞行器的机翼气动分析方法、多学科优化设计中的试验设计和近似建模以及集成技术进行了研究，提出了基于分区加点策略近似建模方法，应用于飞行器驻点气动热分析和机翼气动近似建模中，提高了近似建模的效率。基于协同优化建立了亚轨道飞行器机翼外形多学科设计优化的基本流程和总体方案，对亚轨道飞行器机翼外形设计具有一定的参考价值。

关键词：亚轨道飞行器机翼外形 MDO 试验设计分区加点近似模型协同优化

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亚轨道飞行器总体设计优化方法研究

亚轨道飞行器总体设计优化方法研究

作者：马洋国防科学技术大学

学位级别：硕士

亚轨道飞行器是一种典型的新概念飞行器,日益引起各航天大国的重视,发展亚轨道飞行器对我国发展航天事业建设航天强国,保障国家安全维护发展利益,具有十分重要的意义。论文以亚轨道飞行器为研究对象,系统研究了适用于亚轨道飞行器总体... 详细信息

亚轨道飞行器是一种典型的新概念飞行器,日益引起各航天大国的重视,发展亚轨道飞行器对我国发展航天事业建设航天强国,保障国家安全维护发展利益,具有十分重要的意义。论文以亚轨道飞行器为研究对象,系统研究了适用于亚轨道飞行器总体设计的优化方法,并将其应用于亚轨道飞行器总体设计优化问题。首先,研究了粒子群算法(Partical Swarm Optimization,PSO)、基于雁群启示的粒子群算法(PSO Based on Geese Flight,GoosePSO)和模式搜索法(Pattern Search,PS),提出了雁群粒子群算法与模式搜索混合优化算法(Hybrid Optimization Based on PS and GoosePSO,PSGPSO),函数测试表明,该混合优化算法有效提高了算法的收敛精度,但同时带来了调用函数次数增加的代价。其次,将染色体变异的概念引入粒子群优化算法,提出了染色体变异粒子群算法(PSO Based on Chromosmal Variation,CVPSO),通过函数测试,给出了变异率取值范围,测试结果表明染色体变异粒子群算法有效提高了粒子群的种群多样性,改善了基本粒子群算法对高维函数的寻优性能。将染色体变异粒子群算法推广到多目标优化问题,提出了多目标染色体变异粒子群算法(Multi-objective CVPSO,MOCVPSO),函数测试表明,多目标染色体变异粒子群算法较多目标粒子群算法改善了非劣解的分布性能,在解的收敛性方面性能相当。然后,研究了基于动态信赖域代理模型的优化方法(Optimization Strategy Using Dynamic Metamodel Based on Trust Region,DTR),对该优化方法提出了三点改进,一是算法初始选定信赖域中心时,构建全局代理模型,采用全局近似优化解作为最初信赖域中心点;二是借鉴模式搜索策略改进信赖域的移动方式;三是引入继承拉丁超立方采样提高代理模型采样效率。函数测试表明,改进的基于动态信赖域代理模型的优化方法(Improved DTR,IDTR)降低了函数调用次数,节约了分析高精度模型的耗费,同时改进的基于动态信赖域代理模型的优化方法的收敛精度和稳定性也较好,能够快速收敛到局部最优解,并具有探索全局最优解的能力,但是对于震荡剧烈的多峰值函数可能错过全局最优解。最后,初步研究了亚轨道飞行器总体设计优化问题,采用组合代理模型对亚轨道飞行器进行气动建模,同时对亚轨道飞行器的质量学科、控制学科和弹道学科进行了建模,以接地速度和接地角为目标应用多目标染色体变异粒子群算法进行了多目标优化,给出了亚轨道飞行器总体设计优化的初步方案。

关键词：亚轨道飞行器雁群粒子群算法与模式搜索混合优化算法染色体变异粒子群算法改进的基于动态信赖域代理模型的优化方法