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不同地形土方量计算的一种三角网格分布方法研究

不同地形土方量计算的一种三角网格分布方法研究

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作者：张寒冰南京审计大学

学位级别：硕士

在大型基建项目中,土方量计算是项目施工和工程审核的基本步骤之一。有关土方量计算的操作不仅关乎项目的施工进展,而且会影响项目核算的经济效益。为了加快施工效率、降低经济成本,高效且高精度的土方量计算成了当务之急。为实现提高DT... 详细信息

在大型基建项目中,土方量计算是项目施工和工程审核的基本步骤之一。有关土方量计算的操作不仅关乎项目的施工进展,而且会影响项目核算的经济效益。为了加快施工效率、降低经济成本,高效且高精度的土方量计算成了当务之急。为实现提高DTM法计算土方量的精度要求,本文针对在高精度土方量计算中三角网格分布的统计规律展开研究。根据已有的优化理论知识,研究非结构化网格的优化算法,对实验算例进行网格优化以降低土方计算误差。为了避免在大规模土方计算中直接使用优化算法的低效性,本文从优化小规模的地形特征曲面函数入手,分析适用于大规模的高精度土方量计算的三角网格分布规律。主要研究内容如下:(1)收集了有关网格优化、土方量计算的理论知识,对比介绍了网格优化算法分支以及优劣。通过资料分析制定了优化方案以及优化流程,首次将传统的slsqp优化理论应用到网格优化问题,并且提出了具有创新性的研究问题:土方计算模型中网格分布与地形特征分布的关系。(2)建立针对DTM法中三角网格顶点分布的优化模型。首先了解DTM计算土方量的计算流程,从中抽取出三角网格构造的土方量计算方程,从提高土方量计算精度的角度建立损失函数,基于slsqp优化理论实现优化算法,并取得良好实际应用效果。(3)构建30个实验算例。根据不同地形特征设计算例中的地形曲面函数,优化相应的Delaunay三角网格顶点分布,得到30个算例的高精度土方量计算对应的三角网格数据。(4)展示代表性数值算例结果,并初步分析网格分布情况。根据不同的地形特征(山脊、平原、陡崖、洼地、山顶和鞍部),展示网格优化后的结果,对三维分布点图、等高线图、概率分布图进行分析,初步了解网格分布特征。(5)选取了函数值、梯度模、Hessian矩阵范数这三个特征,通过对优化后的网格数据进行统计分析,挖掘高精度土方计算中三角网格顶点分布与地形曲面函数的关系。结果表明,三角网格的顶点分布与Hessian矩阵范数存在正向的相关关系。(6)利用相关分析方法,研究优化后三角网格网格线的分布规律。利用散点图、假设检验、相关系数等相关分析方法,对比优化前后网格的变化,发现了优化后的网格线与地形曲面函数的梯度方向大致一致,这为后续研究三角网格直接生成算法提供理论依据。

关键词：土方量计算 DTM模型网格优化 slsqp 相关性分析

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宽速域进气道的飞/发一体化性能分析平台实现及参数优化设计

宽速域进气道的飞/发一体化性能分析平台实现及参数优化设计

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作者：王天洋厦门大学

学位级别：硕士

高超声速飞行器及吸气式动力的“全速域、高性能、重复使用”的需求,给进气道设计提出了更高的技术挑战。宽速域工况下,进气道特性与飞行剖面及发动机特性高度耦合,现阶段缺乏充分考虑飞/发耦合特性的进气道性能估算及优化设计方法,已... 详细信息

高超声速飞行器及吸气式动力的“全速域、高性能、重复使用”的需求,给进气道设计提出了更高的技术挑战。宽速域工况下,进气道特性与飞行剖面及发动机特性高度耦合,现阶段缺乏充分考虑飞/发耦合特性的进气道性能估算及优化设计方法,已成为制约宽速域进气道性能提升的关键瓶颈。为了建立宽速域进气道的飞/发一体化分析平台及实现参数优化设计,本文开展了宽速域进气道及飞/发系统建模,自编了飞行器航迹算法及改进设计,实现了一体化航迹优化平台构建及对比验证,最终完成了典型飞/发系统的进气道参数优化设计。具体包括以下四部分工作:(1)宽速域进气道及飞/发系统建模方面。基于正向特征线和逆向特征线法,通过给定第一级压缩楔角构建双入射激波基本流场,结合等熵进气道的Isentropic起动判据和内收缩进气道的Kantrowitz起动判据,获得了非设计状态进气道基本流场的总压恢复系数和流量系数,实现了不同来流条件下进气道气动性能的快速预估。此外,结合垂直平面内的飞行器质点动力学及冲压发动机简化气动热力模型,完成了宽速域内耦合进气道特性的飞/发系统建模,为后续飞行器/发动机/进气道的耦合优化设计奠定了基础。(2)航迹优化算法实现及改进方面。结合直接打靶法离散最优化问题的特点,阐述了飞行器航迹优化求解方法slsqp的底层数学原理和推导过程,说明了非线性最优化问题(NLP)的全局最优解求解过程,构建了自编飞行器航迹优化算法。在此基础上,通过Gauss-Lobatto配点及积分法,改进了变量离散及函数值近似方法,实现了最优化离散方法的改进,在相同的离散条件和求解参数下,改进打靶法的迭代步数减少10%,计算误差由6.68×10-4下降为3.3×10-6。(3)一体化航迹优化平台构建及对比验证方面。基于LabVIEW语言实现了自研航迹优化平台构建,并完成了与现有GPOPS软件的对比验证。其中针对典型宽速域航迹优化案例,自研航迹优化软件与现有GPOPS软件得到的航迹基本吻合,两者爬升时间相差0.425%、飞行高度相差0.722%。相比于GPOPS软件插值及积分精度较高、整体数据较为平顺等优点,自研软件平台在处理数据表时采用线性插值方式,部分速域存在推力、比冲震荡现象,但具有过程变量可检测、开放性和灵活度优势大等优点。(4)宽速域进气道参数优化设计层面。基于考虑飞/发一体化的宽速域进气道设计方法,实现了典型Ma2.5-Ma4.5加速过程的进气道参数优化设计。不考虑攻角影响下,设计马赫数3.0的加速时间最短(108.5s),设计马赫数4.5的加速时间最长(193.2s)。考虑攻角影响情况下,设计马赫数低于3.5时,发动机推力不足以完成加速任务;设计马赫数3.5的加速时间最短(135.4s),设计马赫数4.5的加速时间最长(200s)。此外,设计马赫数3.5状态下,安装角分别为0-5°时,最快状态对应的安装角为2°、最慢状态对应4°,两者时间相差5.7%,安装角对于加速特性的影响相对较小。

关键词：飞发一体化宽速域进气道设计航迹优化 slsqp

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