一种考虑发动机参数的飞发一体气动伴随优化设计方法技术

本发明专利技术提出一种考虑发动机参数的飞发一体气动伴随优化设计方法，通过有效结合基于伴随的气动优化设计系统与所建立的发动机代理模型组，实现飞发一体飞行器巡航阶段更大航程或更长航时的优化目标；同时，又能继续发挥伴随梯度优化方法的优势。该方法利用基于离散伴随的气动优化设计方法对飞发一体飞行器开展气动优化设计。一方面，相较于全局优化方法，伴随优化方法的计算量更小，可以大幅度减少优化设计的时间，具有较高的优化效率；另一方面，构建的气动伴随优化设计系统中发动机代理模型组具有较高的精度，可以保证设计结果的准确性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑发动机参数的飞发一体气动伴随优化设计方法


[0001]本专利技术涉及飞发一体飞行器设计
，具体表现为一种考虑发动机参数的飞发一体气动伴随优化设计方法。

技术介绍

[0002]飞机/发动机性能一体化设计技术不仅对提升战斗机的各速域性能和超机动性能具有重大意义，同时在提升未来民用客机节能减排方面也扮演着重要角色。随着飞机/发动机性能一体化设计技术与优化方法结合，可以对飞发一体飞行器进行大规模设计变量下的优化设计，有助于进行方案的迭代和各种设计指标之间的权衡。由于飞发一体飞行器系统需要大规模设计变量(往往成百上千)反映高维的大型设计空间和大量约束来使优化设计结果具备较强的工程实用参考性，因此，在众多优化设计方法中，基于伴随方程的梯度优化方法可实现计算量与设计变量个数之间的基本解耦，其计算量小、优化效率高，比较适用于该类飞行器设计问题。
[0003]国内外已开展了一些关于飞机/发动机一体化气动伴随优化设计的工作。这些工作主要针对的是飞机局部外形或者进气道外形进行了优化设计，虽可以获得较为实用的优化设计结果，但是现有的伴随优化设计方法并没有考虑发动机的性能参数，优化设计目标仅是单一的机体外形升阻特性或进气道性能参数，并不能在充分考虑发动机性能的前提下，对飞机/发动机一体飞行器外形进行协同参数化优化设计，从而直接实现巡航阶段航程更大或航时更短的目标。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种考虑发动机参数的飞发一体气动伴随优化设计方法，通过有效结合基于伴随的气动优化设计系统与所建立的发动机代理模型组，实现飞发一体飞行器巡航阶段更大航程或更长航时的优化目标；同时，又能继续发挥伴随梯度优化方法的优势。
[0005]本专利技术的技术方案为：
[0006]所述一种考虑发动机参数的飞发一体气动伴随优化设计方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0007]步骤1：给定需要优化的飞发一体飞行器初始外形，生成初始外形的CFD网格；
[0008]步骤2：选取气动优化设计空间；
[0009]进一步的，步骤2具体包括以下步骤：
[0010]针对给定的飞行器初始外形，采用自由变形(FFD)方法进行几何外形参数化。
[0011]该方法建立一个完全包围初始外形的几何控制框(FFD框)，选取FFD框控制点的Z向坐标z
i
,i＝1,2,
…
,n的改变量Δz
i
,i＝1,2,
…
,n为设计变量。其中，下标i表示FFD控制框第i个控制点，n为全部的FFD控制点数量。通过改变设计变量，从而实现初始外形的变形。
[0012]设计变量Δz
i
,i＝1,2,
…
,n，其绝对值不大于0.05，由此形成气动伴随优化的设
计空间。
[0013]步骤3，选取样本点，建立Kriging代理模型组；其中，所述样本点中包含的参数有发动机推力、耗油率、总温、总压、质量流量；所述Kriging代理模型组包括发动机推力Kriging代理模型，发动机耗油率Kriging代理模型，发动机总温Kriging代理模型，发动机总压Kriging代理模型，发动机质量流量Kriging代理模型，发动机耗油率百分比Kriging代理模型，发动机流量百分比Kriging代理模型；
[0014]步骤4，设定优化问题：优化目标为飞行器巡航时耗油率与阻力系数的乘积最小，优化的设计变量为机翼FFD框的Z向坐标改变量Δz
i,i＝1
…
n
，优化的约束条件为气动力约束、质量流量约束和厚度约束。优化问题可以用如下数学表达式表示：
[0015]min F
opt
＝c
f
·
C
D
[0016][0017]其中：
[0018]F
opt
为优化设计的目标函数，c
f
为发动机耗油率，C
D
为优化过程中间飞行器的阻力系数值；
[0019]Δz
i
,i＝1,2,
…
,n为设计变量，其绝对值不大于0.05，由此形成飞发一体优化的设计空间，其中，下标i表示FFD控制框第i个控制点，n为全部的FFD控制点数量；
[0020]C
L
为优化过程中间飞行器的升力系数值；
[0021]flow为优化过程中间发动机的质量流量值；
[0022]flow
_up
为优化过程中间发动机的质量流量变化的最大值；
[0023]t
j
,j＝1,2,
…
,m为飞行器的机翼厚度，下标j为机翼第j个厚度约束站位，m为厚度约束的总个数；
[0024]上式中所有带下标0的量都是初始外形的值。
[0025]这里采用飞行器巡航时耗油率与阻力系数的乘积作为优化目标，其原因是：
[0026]根据Breguet航程公式可以得到，要想保证航程最大或航时最短，需要耗油率和阻力系数的乘积最小。在相关问题设计过程中，耗油率与阻力有时会存在矛盾，但只要保证两者的乘积最小，仍会保证航程最大或航时最短的优化目的。另外，伴随优化方法通常只能选取一个优化目标，其特点是在大规模设计变量问题中的高效性，但其获得的是优化问题的局部最优解，对于多优化目标问题不符合伴随优化方法的常用设置特征，同时在梯度求解过程中也具有一定的难度。
[0027]步骤5：结合CFD计算的收敛流场解与发动机参数代理模型组预测的数据，构造并求解伴随方程，得到优化目标函数的梯度；
[0028]进一步地，步骤5具体包括以下步骤：
[0029]步骤5.1：基于初始网格进行CFD计算，根据CFD计算得到的收敛的流场解向量构造伴随方程，求解伴随方程获得目标函数中气动力相对于设计变量的梯度；
[0030]步骤5.2：将马赫数、飞行高度、密度、温度、进气道出口面积和根据收敛的流场解得到的进气道出口总压恢复系数、阻力系数作为发动机代理模型组的输入参数；
[0031]步骤5.3：调用发动机代理模型组，通过输入参数预测出新的数据：喷口总温、总压、质量流量系数、耗油率、耗油率对总压恢复系数的梯度、耗油率对阻力系数的梯度；
[0032]步骤5.4：利用求解出气动力伴随方程的梯度与发动机代理模型组预测的数据，求解优化目标函数的梯度；
[0033]步骤6，利用序列二次规划(SQP)优化算法，对步骤4确定的优化问题进行求解，实现对飞发一体飞行器的气动优化设计；
[0034]进一步地，步骤6具体包括以下步骤：
[0035]步骤6.1：将优化目标函数及其对应的梯度一起反馈给SQP优化算法，判断是否满足优化收敛准则，若满足，则优化终止；
[0036]步骤6.2：若不满足优化收敛准则，SQP优化算法将计算搜索方向和步长，获得新的设计变量，进行下一步优化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑发动机参数的飞发一体气动伴随优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：给定需要优化的飞发一体飞行器初始外形，生成初始外形的CFD网格；步骤2：对给定的飞行器初始外形进行几何外形参数化；通过改变设计变量，实现初始外形的变形，形成气动优化设计空间；步骤3：选取样本点，并根据样本点参数，建立对应参数代理模型组；步骤4：设定优化问题：优化目标为飞行器巡航时耗油率与阻力系数的乘积最小，优化的设计变量为机翼几何控制框的Z向坐标改变量，优化的约束条件为气动力约束、质量流量约束和厚度约束；步骤5：获取采用CFD计算的收敛流场解，以及发动机参数代理模型组预测的数据，构造并求解伴随方程，得到优化目标函数的梯度；步骤6：利用序列二次规划优化算法，对步骤4确定的优化问题进行求解，实现对飞发一体飞行器的气动优化设计。2.根据权利要求1所述一种考虑发动机参数的飞发一体气动伴随优化设计方法，其特征在于：步骤2中，针对给定的飞行器初始外形，采用自由变形方法进行几何外形参数化：建立一个完全包围初始外形的几何控制框，选取几何控制框控制点的Z向坐标z
i
,i＝1,2,
…
,n的改变量Δz
i
,i＝1,2,
…
,n为设计变量；其中，下标i表示FFD控制框第i个控制点，n为全部的FFD控制点数量。通过改变设计变量，从而实现初始外形的变形。3.根据权利要求2所述一种考虑发动机参数的飞发一体气动伴随优化设计方法，其特征在于：步骤2中，设计变量Δz
i
的绝对值不大于0.05。4.根据权利要求1所述一种考虑发动机参数的飞发一体气动伴随优化设计方法，其特征在于：步骤3中，所述代理模型组为Kriging代理模型组。5.根据权利要求4所述一种考虑发动机参数的飞发一体气动伴随优化设计方法，其特征在于：步骤3中，样本点中包含的参数有发动机推力、耗油率、总温、总压、质量流量；所述Kriging代理模型组包括发动机推力Kriging代理模型，发动机耗油率Kriging代理模型，发动机总温Kriging代理模型，发动机总压Kriging代理模型，发动机质量流量Kriging代理模型，发动机耗油率百分比Kriging代理模型，发动机流量百分比Kriging代理模型。6.根据权利要求1所述一种考虑发动机参数的飞...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘超宇，屈峰，付俊杰，黎明，孙迪，白俊强，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：