[发明专利]基于顶点法和序贯优化策略的飞行器结构气动弹性设计法

说明书

本发明公开了一种基于顶点法和序贯优化策略的飞行器结构气动弹性鲁棒设计方法。在本方法中考虑了飞行器结构中的不确定性，将不确定变量处理成区间数，利用顶点法生成样本点集。首先考虑结构强度约束对飞行器结构进行鲁棒优化，然后利用优化思想求解当前设计点到气动弹性约束对应可行域的距离。在此基础上对原结构强度约束进行修正，并重新进行飞行器结构强度鲁棒优化。重复上述过程直至收敛，得到同时满足结构强度约束和气动弹性约束的飞行器结构鲁棒设计方案。本方法在保证鲁棒优化结果准确性的前提下，减少了优化过程中气动弹性分析次数，实现了降低计算量、提高优化效率的目的，为飞行器结构气动弹性鲁棒设计提供了一种新思路。

技术领域

本发明涉及飞行器结构不确定气动弹性设计领域，特别涉及一种基于顶点法和序贯优化策略的飞行器结构气动弹性鲁棒设计方法。

背景技术

气动弹性如今在航空航天领域有着重要的应用，尤其是在一些大柔度、高速度的飞行器结构的设计过程中更需要关注可能存在的气动弹性问题。所谓气动弹性力学，就是一门研究空气动力与飞行器结构弹性变形之间的相互作用的学科。根据研究内容气动弹性问题分为静气动弹性问题和动气动弹性问题，前者主要研究弹性体在恒定气动载荷作用下的静变形，后者主要研究弹性体在动态气动载荷作用下的动力响应。弹性体在气动载荷作用下会发生变形或振动，这种变形或振动反过来又会影响气动载荷的大小与分布，正是这种气流与结构的相互作用，使得结构在气流中产生各种各样的气动弹性现象。而飞行器气动弹性设计在飞行器结构设计过程中充分考虑这种气动弹性效应，防止静发散、操纵反效和颤振等气动弹性问题的出现。随着飞行器设计和制造技术的快速发展，飞行器巡航速度不断提高，气动弹性效应越来越明显，气动弹性设计逐渐成为飞行器设计中至关重要的一环。

最优化是应用数学的一个分支，它的主要含义是指在一定限制条件下，寻找某种研究方案使得目标达到最优的一类方法。工程中的许多核心问题最终都能归结为最优化问题，因此目前最优化方法在各工程领域中都具有极其广泛的应用。最优化问题的共同特点是：在满足一定条件的前提下，求解使某函数f(x₁,x₂,…,x_n)取得最大值或最小值的变量x₁,x₂,…,x_n。这里的变量x₁,x₂,…,x_n称为优化变量，函数f(x₁,x₂,…,x_n)称为目标函数或者评价函数，需要满足的条件称为约束条件，用于构成约束条件的函数称为约束函数。一般情况下，最优化问题可总结为如下形式：

find X＝(x₁,x₂,…,x_n)^T

min f(X)

s.t. g_i(X)＝0(i＝1,2,…,l)

h_j(X)＝0(j＝1,2,…,m)

常用的最优化问题求解算法有牛顿法、拟牛顿法、梯度下降法、序列二次规划法和共轭梯度法等梯度算法。梯度算法利用函数的梯度进行求解，优化效率高，但是容易陷入局部最优解，且计算量会随优化变量数增大而急剧增加。因此，人们通过模拟某些自然现象或过程而提出了许多现代智能算法，如模拟退火算法、遗传算法、粒子群优化算法等。