[发明专利]一种并行子空间优化的临近空间飞艇多学科优化设计方法

权利要求书

1.一种并行子空间优化的临近空间飞艇多学科优化设计方法，其特征在于，包括：

步骤一、规划临近空间飞艇总体设计流程，明确优化变量、约束和目标以及气动、结构和能源子系统耦合关系；

步骤二、分别对所述气动、结构和能源子系统进行参数化建模并分析；

步骤三：训练样本点建立样本空间，搭建代理模型；

步骤四：在ISIGHT平台上构建基于气动、结构和能量的并行子空间的优化框架，执行优化进程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一包括：

通过分析临近空间飞艇的总体任务需求，选定艇体外形，结合实际要求和试飞经验选择艇体长度、体积和表面积的实用范围，进而对气动、结构和能源子系统进行变量的分配和设置；

气动、结构和能源子系统的耦合关系通过推阻平衡、浮重平衡和能量平衡进行体现，并把所述推阻平衡、浮重平衡和能量平衡作为优化框架里的一部分约束条件。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二包括：

1)艇体参数化建模：首先是基于CATIA VB脚本二次开发的几何模型建模，所述艇体参数化建模过程目的是把优化进程中的变量变化写入脚本，在模型中体现出来，结果模型用于后续流场分析；

2)用步骤1)中生成的model几何文件来进行基于ICEM CFD Tcl脚本二次开发的网格划分，生成的mesh文件用于Fluent CFD流场解算，得到艇体气动载荷的分布和阻力值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对于结构拓扑分析，其几何建模和分析均是基于ABAQUS Python脚本二次开发来进行的，分析得到艇体的应力分布、位移分布和艇体重量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对于能源子系统的参数化建模及其分析包括：

首先，基于MATLAB进行能参数化建模，把能源参数中的太阳能电池阵单元数量在优化进程中的变化实时写入程序；

其次，建立太阳辐射和昼间太阳能收集模型，通过最终耗能模型，来进行能源系统能量平衡的评估；

最后整合临近空间飞艇各个部件质量，得到总的质量模型。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述质量模型包括飞艇固定质量、结构质量和太阳能电池阵列质量，所述固定质量包括推进系统、航电、储能电池和其承载结构部分，所述结构质量包括艇体、吊舱、艇首尾和浮升气体部分。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三包括：

(1)系统样本点信息收集：通过所述气动、结构和能源三个子系统在基于优化拉丁超立方实验设计运行得到一系列的样本空间；

(2)初始化代理模型：运用Kriging方法建立代理模型；

(3)代理模型可行性的验证：通过代理模型生成的样本空间和真实仿真结果作对比，具有足够精度即可用于系统优化进程；

(4)若在优化迭代过程中代理模型的精度不够，就逐步更新样本空间，逐步的在优化循环过程中增加样本数量和变换模型的系统参数。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤四所采用的优化系统包括：

循环控制模块System，其通过约束条件来判断整个迭代的收敛情况，从而控制整个优化进程；

计算器模块Calc last，其将上一次计算的总重与当前计算总重区分，分别赋予两个不同的变量，便于循环控制模块进行比较；

全局优化模块Global Optimization和局部优化模块LocalOptimization，其都是基于代理模型的优化模块，其中，GlobalOptimization采用多岛遗传算法，Local Optimization采用序列二次规划算法；

气动子系统优化模块Aerodynamic optima analysis，能源子系统优化模块Energy optima analysis，结构子系统优化模块Structure optima analysis，

计算器模块Calcmass&delta，用于对载荷重量进行赋值，以及总重和浮重平衡的统计；

样本点更新模块DOE update，其通过高精度的气动、结构和能源子系统计算的优化数据来不断地对样本点进行更新。