基于Kriging代理模型的高速列车头型多目标优化设计

随着列车运行速度的提高,气动阻力成为制约列车提速和节能环保的重要因素之一,尾车的气动升力是影响列车乘坐舒适性和运行安全性的关键气动载荷.本文针对CRH380A三辆编组简化外形,以整车气动阻力和尾车气动升力为优化目标,结合局部型函数三维参数化方法和基于迭代局部搜索算法的带有极大极小准则的中心拉丁超立方采样方法,提出了一套基于自适应非劣分类遗传算法的高速列车头型有约束多目标气动优化设计方法.研究结果表明:局部型函数参数化方法可以较好的应用于复杂三维气动外形的优化设计;自适应非劣分类遗传算法能够较为准确、高效的找到Pareto最优解集;优化后,三辆编组简化外形的整车气动阻力减小3.2%,尾车升力系数减小8.24%,流线型部分的体积减小2.16%,真实外形的整车气动阻力减小2.26%,尾车气动升力减小19.67%,两种外形的气动力变化主要集中在鼻锥和尾锥的变形区域;本文提出的优化设计方法简单、高效,可以为高速列车气动外形多目标、带约束工程优化设计提供参考.     

CRH3型高速列车气动头型优化计算

本文针对CRH3型高速列车的气动外形设计问题,提出了一套高效的头型气动力优化方法.使用NS方程进行流场求解,结合遗传优化算法和任意网格变形技术,避免了流场计算时几何变形和网格剖分的庞大时间开销,提高了优化计算的效率.通过对设计空间中的设计点进行统计分析,研究了优化设计变量与优化目标之间的相关性,分析出了影响优化目标的几个关键变量,并采用Kriging算法对关键设计变量与优化目标进行了响应面分析,得到了关键设计变量与优化目标之间的非线性关系.最后,通过优化头型与原始头型的气动性能比较,对CRH3型高速列车原始头型的气动稳定型进行了评估.     

不同运行环境下高速列车外形气动优化

基于多目标遗传算法NSGA-II和近似模型方法,以明线列车气动阻力和侧风下头车倾覆力矩为优化目标,对列车三维外形进行气动优化设计.建立了基于Hicks-Henne型函数的列车三维参数化模型,对比分析了不同近似模型对列车气动力计算近似精度的影响.研究了列车头部纵向轮廓线、头部水平轮廓线、车身截面形状、鼻尖形状、排障器形状、头部侧翼形状、列车车身高度以及宽度等外形因素对列车在不同运行环境下气动性能的影响,得到了影响优化目标的关键变量.优化结果表明:优化后的列车外形向着头型更尖扁,横断面积更小,车身侧壁弧度增加的方向变化;与原始模型相比较,优化后明线列车气动阻力最大幅值减小了17.5%,侧风下头车侧滚力矩最大幅值减小了22.9%.     

民用客机变弯度机翼优化设计

针对民用客机机翼-机身-平尾构型开展了后缘连续变弯度机翼气动优化设计,并探索了在优化设计中添加俯仰力矩配平约束的必要性.采用自由型面变形(free form deformation,FFD)方法对全机构型进行参数化,可实现机翼型面、后缘弯度和平尾偏转角的改变.采用基于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程的离散伴随技术求解气动力系数对设计变量的梯度,并采用序列二次规划算法进行基于梯度的气动优化设计.针对CRM(common research model)构型开展了考虑多约束的气动减阻优化设计,验证了优化设计系统的有效性.在此基础上,针对不同巡航升力系数分别进行了考虑和不考虑全机力矩配平约束的变弯度机翼优化设计.优化结果表明,通过机翼后缘变弯度可以改善机翼展向升力系数分布、减小激波强度;为了获得综合最优的减阻设计结果,必须考虑力矩配平约束.     

小展弦比薄机翼精细化气动优化设计研究

战斗机类小展弦比薄机翼的气动设计,主要考虑机翼的平面形状以及弯扭和厚度修形设计,忽略了机翼翼型的精细化设计,因此气动分析手段一般采用Euler方程结合黏性阻力修正的方法.以某典型战斗机机翼为例,分别使用Euler和RANS方程对机翼的流场与气动特性进行了数值模拟,发现Euler方程无法精确捕捉附面层内的流场结构,证明传统使用的Euler方程已不能满足战斗机机翼精细化设计的需要.对该机翼的翼型进行了气动优化设计,发现翼型的设计对该小展弦比薄机翼会失效,证明这类机翼必须在三维环境下进行多剖面翼型设计.综合FFD参数化方法、稳健的动网格技术、Kriging代理模型和粒子群算法,构建了三维气动优化设计方法.利用该方法对该机翼三个剖面翼型进行了跨音速巡航状态单目标以及跨音速/超音速巡航状态多目标精细化化设计,优化设计后机翼的气动性能得到很大的提高.     

月地高速再入返回器气动设计与验证技术

月地高速再入返回器与近地轨道返回飞行器相比,气体流动效应更加复杂,对气动数据的精准度要求更为苛刻.因此,气动设计与验证的正确性和全面性是月地高速再入任务成功的关键.本文对月地高速再入气动特点进行了分析,对返回器气动设计方法、气动计算与试验项目、数据综合分析和特种气动问题研究的方法与结果进行了阐述,并给出了飞行结果.飞行结果表明返回器气动设计与验证所获得的各项气动数据满足工程要求.     

考虑抖振特性的变弯度机翼设计研究

变弯度技术可以提升大升力系数下机翼的抖振特性,对于提高民航客机的综合性能具有重要意义.构造了光滑、连续、可微的定量描述激波-附面层干扰导致的分离强度演变规律的分离函数,实现了适用于大规模精细化气动外形优化的抖振始发特性评估方法.基于典型的民用客机标模,开展了考虑抖振性能约束的机翼后缘变弯度减阻优化设计研究.结果表明采用后缘变弯度技术,在1.3g抖振点减弱激波以及激波附面层干扰导致的流动分离强度,可以获得1.89%的减阻量.以设计点阻力最小进行优化,设计点机翼后缘能够以更大的逆压梯度进行压力恢复;同时在1.3g抖振状态减小逆压梯度,降低分离强度,从而减弱了抖振性能约束对设计点产生的影响.在俯仰力矩配平条件下,获得接近1%的减阻收益.因此结合分离函数预测抖振特性的气动优化设计方法可以对变弯度机翼进行深入的优化设计,让机翼的变弯度收益具备更为实际的参考价值.     

一种基于证据理论的结构可靠性优化设计方法

针对包含认知不确定性的结构可靠性问题,提出了一种基于证据理论的可靠性优化设计方法.首先,在优化过程中基于代理模型对迭代点处各约束进行可靠性分析,计算其似真度;其次,通过证据变量均匀化方法构造了一种证据理论可靠性的近似梯度计算方法,从而可采用基于梯度的常规优化算法进行优化求解;最后,数值算例和工程算例表明了本方法的有效性.     

空气动力学/电磁学双学科优化方法的讨论

讨论了空气动力学／电磁学双学科的优化设计方法，它是实现气动／隐形综合设计的关键，重点讨论了多层优化方法（ＭＬＯ）和加的线性组合方法（ＬＷＯ），并将其用于气动／隐形的优化设计，为减少ＬＷＯ中确定加权系数的经验性，提出了一种自动调节加权系数的线性组合方法（ＡＷＯ）。算例表明，优化解的性能大大改善了原有性能，显示了优化方法的有效性和实用性。     

基于控制理论的透平叶栅气动反设计优化

本文应用控制理论,采用提出的基于网格节点位置坐标直接变分法,研究建立了一般性优化问题的伴随系统,研究发展了基于控制理论的轴流式透平叶栅气动反设计优化方法与系统.该伴随系统的推导过程以尽可能的减少计算资源为宗旨,应用分部积分公式和连续伴随方法,最终得到的目标泛函变分的表达式中仅仅含有网格坐标变分的边界积分项,避免了梯度计算过程中网格内部节点的重复生成,相对于传统的伴随方法更进一步节省了计算资源.伴随系统的数值求解采用ROE格式近似黎曼通量和显式五步龙格-库塔时间推进法,并使用多重网格技术和当地时间步长加速收敛.为验证本文伴随系统的稳定性、通用性、收敛性和精确性,通过定义不同的目标函数进行了考核,研究结果表明,本文所研发的伴随系统和反设计优化系统具有优秀的鲁棒性和高效性,能够有效应用于轴流式透平叶栅气动反设计优化中.在此基础上,结合本文所研究的气动优化理论,建立了应用Euler方程和N-S方程的伴随方法叶栅气动反设计优化方法与系统,研发了轴流式叶栅的二维、三维无黏及黏性条件下的压力反设计、等熵马赫数反设计软件,成功进行了数值算例研究,验证了该优化系统的有效性和经济性.     

基于搜索空间缩减策略的供水管网抗震设计参数优化

供水管网抗震优化设计模型以用户节点的抗震安全能力为设计目标,包含管网拓扑布局及管段结构抗震能力两个设计参数,寻找最优设计参数是离散变量组合优化问题.提出了一种基于两阶段搜索空间缩减策略的管网抗震优化设计模型求解方法,第一阶段利用度约束连通图生成初始种群,缩小优化初始搜索空间;第二阶段采用违约个体修补策略转换优化进行过程中不满足约束条件个体所处的搜索空间,实现了优化过程中搜索空间的动态缩减,提高了优化搜索的效率.此方法在供水管网抗震优化设计中有较高的效率,也可为其他有约束离散变量优化问题提供参考.     

基于区间的风机系统翼型气动性能不确定性优化

针对样本数据少、信息缺乏的工程问题,研究了一种风机翼型气动性能区间的不确定性优化方法.通过建立区间模型非概率可靠性指标,在Kriging近似模型基础上,构建了稳健性优化模型.并采用了双重优化求解策略进行求解,以提高优化效率.为了提高叶型造型的拟合精度,采用五项多项式方法对翼型各截面进行参数化建模.通过和试验结果进行对比可知,该方法可满足风机气动性能优化精度要求.该方法为风机气动性能优化提供了新的途径,为轨道交通风机系统节能减排的市场实用化奠定了基础.     

一种集成通用高超声速飞行器气动工程预测系统

本文建立了一种面向高超声速飞行器的集成通用气动预测系统.通过引入CAD/CG建模技术实现了复杂飞行器3D几何模型的快速准确建模,并可以利用网络上的共享模型资源直接计算.引入FEM技术和自由网格生成算法,实现了复杂飞行器模型的快速网格生成.设计并开发了通用面元几何分析程序,建立了外法线快速矫正方法.基于面元气动分析理论开发了面元气动分析求解器,实现了面元气动计算和整机气动参数整合,能计算飞行器的气动力、力矩和气动导数.通过软件集成调用技术,将几何建模、面元划分、面元分析、面元气动计算以及后处理集成在统一的软件系统中,实现了高超声速飞行器气动参数的全自动计算与分析.HTV-2和航天飞机的仿真计算结果表明了该系统的有效性.     

高速面铣刀气动噪声计算与分析

面铣削过程中的噪声大致上可以分为空转噪声和切削噪声, 空转噪声主要由铣刀气动噪声组成. 基于Ffowcs Williams-Hawkings 方程建立高速面铣刀气动噪声数学模型, 进行高速面铣刀空转噪声测试, 噪声预测值与实验结果吻合良好. 模拟刀具参数(齿数、齿距)及测试观察点位置变化的情况下面铣刀气动噪声的变化情况, 研究表明面铣刀气动噪声具有方向性,结合频谱分析, 发现不等距面铣刀旋转频率的峰值移到高频部分, 大大降低面铣刀旋转频率处噪声, 可为低噪声铣刀的设计提供理论依据.     

基于ANSYS的二次优化方法的实例探究

基于有限元分析技术的优化设计是一种全新的优化技术，其中的有限元分析技术能够满足用户对零部件满应力分布的需要，结构优化技术能够为零部件的设计提供更合理的设计尺寸，用ANSYS软件对模型进行参数化建模、静力学分析、并在此基础上进行多参数同时优化的传统的优化设计方法，可以得到符合工程应力要求的结构模型、合理的结构形式和优化尺寸，实现了结构轻量化的目标，但是却并不一定是最节省材料的优化方法，使其在达到要求性能的条件下，最大限度地减少材料，为了更高效的节省材料，可以采用二次优化方法来解决这个问题。本文通过一个石油机械中马达座的优化例子来说明二次优化方法的优越性，它能有效提高建模速度，提高模型质量，对工程技术人员来说意义十分重大，结果表明，运用ANSYS进行优化设计问题的求解，可以很大程度上减少设计成本，使产品设计更为科学合理。     

基于捕食逃逸鸽群优化的无人机紧密编队协同控制

提出一种基于捕食逃逸鸽群优化(pigeon-inspired optimization,PIO)的无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)紧密编队协同控制方法.基于人工势场法设计了外环控制器,将无人机紧密编队转化成一种抽象的人造势场中的运动;基于鸽群优化算法设计了内环控制器,进行控制量的优化求解.在遵循鸽群优化基本思想的基础上,对其结构进行调整,并针对基本鸽群优化易陷入局部最优的问题,引入了捕食逃逸机制来改善鸽群优化总体性能.最后,将本文所提出的改进鸽群优化算法与基本鸽群优化算法、粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法进行了系列对比实验,实验结果验证了文中所提方法的可行性、有效性和优越性.     

升弓高度对列车受电弓气动性能的影响

为研究升弓高度对高速列车受电弓气动性能的影响,建立受电弓空气动力学计算模型,采用分离涡模拟方法(DES)研究受电弓不同运行状态下的气动特性.数值仿真计算得到的受电弓气动阻力与风洞试验数据误差小于5%,验证了数值仿真模型和方法的可靠性.研究结果表明:受电弓升弓高度和开闭口运行方式对受电弓周围流场结构影响较大,受电弓气动性能有所差异.当受电弓升弓高度不变和运行速度为400 km/h时,开口运行受电弓气动阻力比闭口运行大2.0%～4.07%;当受电弓开闭口运行方式不变时,受电弓气动阻力与升弓高度呈近似线性关系,在升弓高度0～1.4 m范围内,受电弓气动阻力最大增加9.2%.升弓高度对框架系统的气动特性影响较大,对底座、绝缘子以及弓头的影响较小.随着升弓高度的增加,受电弓框架系统周围流场的脉动加剧,气动阻力变大,而弓头和滑板周围的流场变化较小.滑板表面脉动升力具有明显的主频特性,升弓高度对主频的影响较小,闭口运行时频率分布较开口运行分散.     

开互模拟的一条泛公理

π-演算公理化中较难处理的是有关局部化算子的等式, 传统的方法是使用带条件的推导规则或使用“区别”. 提出一条关于π-演算局部化算子的泛公理, 并证明它可在开互模拟的公理化中取代“区别”的作用. 本方法的好处是在公理化过程中我们只要处理一个互模拟, 而无须处理一族互模拟.     

基于改进型粒子群理论的大承载车辆盘式制动器优化设计

为了解决大承载盘式制动器产品设计水平较低和可靠性较差等问题,以大承载车辆盘式制动器为研究对象,建立将制动距离与制动温升作为优化目标的优化设计模型,使用改进型粒子群理论对重载车辆盘式制动器进行优化设计,最后通过有限元计算方法对优化后的模型进行验证。分析结果表明,随着车辆制动距离的增加,盘式制动器温升整体呈现下降的趋势;通过对优化设计后盘式制动器进行有限元验证,优化后盘式制动器模型的强度、温度及制动效能特性均满足使用要求,制动器设计方法得到丰富、可靠性得到提高。     

局部热载荷诱导热障涂层界面分层断裂问题

以激光辐照对热障涂层面层进行局部加热, 模拟超燃冲压发动机燃烧室热障涂层服役的高热流、高温度梯度载荷环境, 研究热障涂层的可能破坏模式. 首先给出了YAG 激光局部加热试验方法、过程和界面破坏的典型形貌; 然后, 基于理论分析与有限元模型化研究, 计算了表面局部受热时热障涂层体系的温度场、变形场和应力场, 分析了热障涂层破坏的力学机制. 研究结果表明, 在这种局部迅速加热的载荷条件下, 热障涂层将由于陶瓷层-粘接层的界面分层断裂而失效. 参数化模型研究发现热障涂层体系的关键结构参量、性能匹配对界面分层断裂驱动力具有显著影响且存在优化区间.