基于工程环境的气动多目标优化设计平台研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJan．252016Vol37No．1255。268ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．C13DOI：10．7527／S1000—6893．2015．0315基于工程环境的气动多目标优化设计平台研究李权*，郭兆电，雷武涛，赵轲中航工业第一飞机设计研究院总体气动研究所，阎良710089摘要：工程环境中，飞机气动力设计面临在多个目标和多种约束

2、条件下寻找最优值，需在较短时限内完成设计优化，并保证最终方案可靠。基于高性能计算环境，采用现代计算流体力学(CFD)数值模拟技术和优化技术等构建了面向实际工程的飞行器气动多目标优化设计平台：采用基于非均匀有理B样条(NURBS)方法的自由曲面变形技术，实现对工程复杂气动外形的参数化表达；采用网格变形技术，实现优化过程中计算网格的自动更新；采用基于有限体积方法和多块结构网格的雷诺平均Navier—Stokes(RANS)方程并行解算器进行气动力求解；采用基于精英保留策略的非支配排序的多目标遗传算法(

3、NSGA—II)进行多目标全局优化求解；采用非线性单纯形算法进行局部优化求解，优化过程中，通过人工调整优化种群，引入人工经验，构建“人在回路”的设计流程。以某翼型／机翼气动力优化设计为例对该平台技术进行验证：多目标优化设计可得到清晰的Pareto前沿解分布；优化后的翼型／机翼在满足各项约束的前提下，具备更高的综合气动性能。结果表明：所发展的气动多目标优化设计平台具有很好的工程适用性。关键词：多目标优化；气动设计；遗传算法；计算流体力学；自由曲面变形技术中图分类号：V211文献标识码：A文章编号：1

4、000—6893(2016)01—0255—14现代飞机设计中，气动外形设计面临的要求、限制与矛盾越来越多，这对依赖工程经验“CutandTry”的试凑法和单点设计方法等传统设计方式提出了严峻的挑战。研究典型的气动多目标优化问题(如现代大型民机的机翼设计)时，需要在巡航、起降、爬升等多个设计点之间进行折衷，寻求综合最优解；但传统设计方法并不能很好地处理此类问题，多数情况下仅仅是找一个可满足各方约束条件的工程可行解，而非优化意义上的最优解。气动多目标优化设计就是根据飞机的各种性能要求，建立相应的目标

5、函数和各种约束条件，对气动外形进行参数化处理，获得设计变量；然后采用现代数值优化方法，以定量分析的方式进行参数寻优，最终获得满足工程要求的综合最优解。多目标优化设计技术弥补了传统设计方法处理多学科、多目标、多约束设计问题的不足，因此更具工程应用价值，将是未来先进飞行器设计的必然选择[1。3]。一个实用的气动优化设计平台需要解决以下技术问题：1)参数化建模技术优秀的外形参数化方法要求：控制参数尽量少，而所表达的外形的几何精度尽量高，设计范围足够大。目前比较流行的参数化建模技术主要有基于类函数／型函数

6、(CST)的成形技术、非均匀有理B样条(NURBS)曲线／曲面技术和基于CATIA环境的参数化技术。需要重点发展控制参数少，成形精度高、范围广，执行效率高的参数化建模技术[4。7]。收稿日期：2015-09．30；退修日期：2015-11-17；录用日期：2015．11—22；网络出版时间：2015—12．0410：08网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／111929．V20151204．1008008htmI基金项目：国家“863”计划(2012AA01A304)*通

7、讯作者Tel．：029—86832360E-mail：Iqq0309@163．com融雳罄武t李权，郭兆电，霉武涛，等．基fI程环境的气动多目标优亿设计平台研究[J]．航空学报，2016，37(1)：255-268．LIo，GUOzD，LEIWT，eta1．Engineeringenvironment-basedmulti．objectiveoptimizationplatformforaerodynamicdesignCJ_7．ActaAeronauticaetAstronauticaSinic

8、a．2016．37(1)：255-268．航空学报Jan．252016V01．37No12)网格更新技术网格更新是优化迭代中气动力计算的前提。目前主要有网格重生成技术、基于商业软件执行脚本的网格更新技术和网格变形技术。各种网格技术都有一定的局限性，需根据具体问题灵活选用，提高网格更新的效率和质量。3)气动力预测技术气动力预测是气动优化设计的基础，工程化设计要求气动预测技术具备可靠的精度和较高的效率。4)优化搜索技术优化算法的实质是设计空间的搜素策略。根据气动多目标优化设计工作的特点