[发明专利]基于仿真和优化耦合的飞行器气动外形设计方法及系统

权利要求书

1.一种基于仿真和优化耦合的飞行器气动外形设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据给定的飞行器外形模型确定飞行器外形参数化方法，得到设计变量范围；

步骤2：对各设计变量进行归一化，利用约束域实验设计方法处理给定飞行器外形的优化目标及约束条件并生成需求数量的n个初始采样点；

步骤2中所述约束域实验设计方法是指：

步骤2.1：针对任意拉丁超立方实验设计，定义该实验设计的样本点个数为基准采样点个数，对每个采样点按下式定义可行性标识；

其中，x为任意采样点，为采样点x的可行性标识，为约束函数，表示采样点x满足约束，表示采样点x不满足约束；

步骤2.2：构造约束域优化LHD均匀性指标

其中为可行采样点个数，上式中第一项使可行点尽可能多，，

为衡量采样点空间的均匀性指标，为采样点个数，为第个采样点和第个采样点之间的距离，，为正整数，非零项共有项，上式中第二项则是通过最大化，让可行点之间的准则最小，得到均匀分布的实验设计点；

步骤2.3：根据所需的可行采样点个数为n，设定初始的基准采样点个数，得到的可行采样点个数为，则可预测个可行采样点所需的基准采样点个数为：

在基准采样点个数调整后，重复步骤2.2和2.3，直到，则约束优化LHD过程完成，得到约束域均匀分布的个采样点；

步骤3：使用高精度气动仿真模型对所述初始采样点进行流场仿真计算，得到各采样点的仿真流场分布，构建训练集，并根据构建的训练集，利用径向基函数改进传统流场近似模型，所述改进是指利用代理全局流场和全部流场参数的全流场近似模型取代传统的代理局部流场、部分参数的小规模流场近似模型；

步骤3的具体方法为：

步骤3.1：使用高精度气动仿真模型进行仿真计算，得到给定飞行器外形模型上网格节点处的物理参数值，包括网格节点处的压力、剪应力、温度，全流场参数分布可用场矢量表示为：

其中，表示第个流场网格点上的压力矢量，表示第个流场网格点上的剪切力矢量，是第个流场网格点上的温度标量，表示采样点的设计变量，，表示网格节点的数量；

步骤3.2：输入每个采样点的设计变量，根据步骤3.1得到每个采样点的流场分布结果, …，构建训练集；

步骤3.3：根据所构建的训练集进行训练，得到全流场近似模型可以表示为：

步骤3.4：对所述全流场近似模型进行后处理得到所述给定优化目标问题的目标函数近似模型和约束条件，所述后处理是指对全流场近似模型进行积分得到目标函数近似模型；

步骤4：根据采样策略，基于所述全流场近似模型预测设计空间内的最优点，并将所述最优点作为新添加的采样点；

步骤5：对新添加的采样点使用高精度气动仿真模型进行流场仿真计算，得到新采样点的流场分布结果，对新采样点的仿真流场分布进行积分得到给定优化目标问题的目标函数和约束条件；

步骤6：当连续两个新采样点之间的设计变量、目标函数和约束条件之间相对差异均小于给定精度，或达到最大模型仿真次数时输出新添加的采样点并终止优化；否则使用步骤5的新添加的采样点及新采样点的仿真流场分布更新全流场近似模型，并转至步骤4。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中对所述全流场近似模型预测设计空间内的最优点的方法是序列采样近似优化方法。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述序列采样近似优化方法是指对目标函数近似模型以目标函数最小为目标进行搜索，目标函数近似模型为，即搜索目标函数为：

。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对目标函数搜索的方法是：针对目标函数近似模型的搜索过程采用差分进化算法，其算法步骤包括初始化、差分变异、交叉、选择和终止判定。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤5中对新添加的采样点使用高精度气动仿真模型进行流场仿真计算之前采用改进的基于径向基函数的网格变形方法产生新的飞行器外形。