[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

说明书

本发明公开了一种基于仿真和优化耦合的飞行器气动外形设计方法及系统，包括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；利用约束域实验设计方法生成初始采样点；使用高精度气动仿真模型进行流场仿真计算，得到仿真流场分布，构建训练集并生成全流场近似模型；对全流场近似模型预测设计空间内的最优点，并将其作为新采样点；对新采样点使用高精度气动仿真模型进行仿真计算，得到新采样点的仿真流场近似模型；当达到收敛判定条件时输出新采样点。本发明通过优化算法和仿真模型的深度耦合，实现仿真求解信息加速优化算法收敛和优化算法加速气动仿真求解的双重加速，从而大幅减少优化过程总耗时，提高气动优化效率。

技术领域

本发明属于飞行器气动外形设计领域，尤其涉及一种基于仿真和优化耦合的飞行器气动外形设计方法及系统。

背景技术

气动外形设计是飞行器设计的重要内容，对飞行器总体性能具有重要影响。随着飞行器性能要求的提高，飞行器设计更趋复杂，对气动布局精细化设计提出了更高要求。

目前常用的气动设计方法有：1、反设计方法，如文献1“CARLSON L. A direct-inverse method for the prediction of transonic and separated flows aboutairfoils at high angles of attack[A]. 24th Aerospace Sciences Meeting[C].Reston, Virigina: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1986.”和文献2“Greff E, Mantel J. An engineering approach to the inverse transonicwing design problem[J]. Communications in Applied Numerical Methods, 1986, 2(1): 47–56.”，要求给定设计状态下的目标流场分布（通常是压力或速度分布），通过不断改变气动外形、进行流场仿真计算，来逐步逼近给定目标流场分布，得到满足要求的气动外形。2、优化设计方法，将气动分析方法和优化算法有机结合，将某些气动特性作为目标函数直接进行寻优。在优化设计过程中，优化算法作为一个外部工具使用，通过灵活处理目标函数来施加约束、求解传统反设计问题和新兴的多目标、多学科优化设计问题等。在气动优化设计领域中，常用的优化搜索算法可分为三类：基于梯度的优化算法、启发优化算法和基于代理模型的优化方法。但是现有的启动优化设计方法的缺点在于：反设计方法中目标流场分布的确定，要求设计者对设计目标有深入了解并拥有丰富设计经验，且设计质量严重依赖于目标气动特性的选取；另一方面，它难以处理气动、几何约束以及非设计点的性能约束。上述不足严重制约了反设计方法的发展，使其没有得到大范围应用.基于梯度的优化方法最大局限性在于容易陷入局部最优而难以找到全局最优，最终优化结果严重依赖于初始样本集，属局部优化方法而通常不具有全局性，一定程度上限制了其适用范围和进一步发展。启发式算法由于其随机搜索特性，普遍存在收敛速度慢的特点，优化过程中需要对计算模型进行成千上万次迭代。当面对高精度要求的工程优化问题时，结合耗时仿真模型将使计算量难以接受。这也是启发式算法应用到工程中的最大障碍，大大限制了适用范围。基于代理模型的优化方法存在优化算法与优化对象分离的问题。基于代理模型的优化方法采用计算效率较高的近似模型代替高精度仿真模型，有效提升了优化设计效率。在此过程中，仿真模型视作“黑箱”，近似模型只对“黑箱”的输入输出关系进行预测，对于耗时仿真模型产生的大量数据信息并不能充分利用，严重弱化了代理模型抓取真实模型本质特征的能力，极大限制了近似优化方法效率的进一步提升。在专利文献CN111079228A“一种基于流场预测的气动外形优化方法”中，虽然也使用代理模型进行气动外形参数预测，但是从具体实施例和附图中可以看出，其解决的是简单的二维飞行器外形设计问题，如翼型和整流罩二维截面形状参数设计，优化过程中只针对局部流场进行气动外形参数的近似建模，且优化过程中网格无变形，故不能适用于复杂的三维飞行器外形优化设计问题，即不能针对飞行器外形全流场进行建模从而实现三维飞行器气动外形参数的精确预测。