毕业论文——基于仿真驱动的大型亚声速后掠翼的设计评估与优化研究.docx

1、 学 位 论 文 基于仿真驱动的大型亚声速后掠翼的设计评估与优化研究 指导教师姓名： 申请学位级别： 硕 士 论文提交日期： 学科、专业名称： 测试计量技术及仪器论文答辩日期 : 学位授予单位： 河北工业大学 答辩委员会主席： 评 阅 人： 20XX 年 X月 河北工业大学硕士学位论文 基于仿真驱动的大型亚声速后掠翼的设计评估与优化研究 摘 要 设计评估与优化是产品研发、改进、创新的关键。传统的设计评估与优化技术采用串级工作流程，通过经验公式或多领域专家完成，需要设计计算、分析评估、再设计计算、再分析评估等多次循环反复工作，特别是大量繁复的人工评判及协调工作的局限性，不但大大推迟了新产品上市时

2、间，造成了极大的资源浪费，还会留下严重的生产安全隐患。 现代测控技术通过分布式、协同化、可视化、数字化方法实现复杂过程的数据监测、质量控制及数值模拟，本文探讨基于现代测控技术思想的产品虚拟样机仿真设计评估与优 化方法，试图采用仿真驱动的 MDO 技术将产品 设计过程延展，借助多域仿真模型和虚拟评估方法来解决产品虚拟样机设计优化问题。 首先，分析了基于仿真驱动的复杂产品设计方法，从概念设计、初步设计、详细设计三个阶段阐述如何进行相应的有效的评估，然后从全局上进行归纳综合，形成一套完整的、递进的评估优化策略。 其次，给出了基于仿真驱动的产品虚拟样机协同设计评估与优化的基本方法，通过产品虚拟样机仿真

3、建模、协同运行及优化评估，形成了一种分布式协同评估优化模式，通过仿真模型初步解决了产品设计优化系统的多域集成性与过程性控制评估与优化问题。 最后，以民航客机的设计评 估与优化为实例，针对机翼的结构、气动多领域协同设计为对象，对上述方法进行验证，并得出最优方案，与传统的方法相比，基于仿真驱动的设计评估与优化方法更加科学、更加完备，对产品的设计更具有指导意义。 关键词： 仿真驱动，现代测控技术，虚拟样机，产品设计评估，协同优化 i 基于仿真驱动的大型亚声速后掠翼的设计评估与优化研究 THE RESEARCH OF DESIGN EVALUATION AND OPTIMIZATION FOR LAR

4、GE-SCALE SUBSONIC SWEPT WING USING SIMULATION-DRIVEN ABSTRACT The design evaluation and optimization is the cruces in the product research, improvement, and innovation. The traditional design evaluation and optimization techniques were used a serial work flow, completed through the empirical formula

5、s , the multi-domain experts, and a cyclical, repeated works with a design calculation, analysis appraisal, re-design calculation, re-analysis appraisal, specially the massive complicated artificial judgments and coordinated work limitation, lead to a postponing of the new product going on the marke

6、t time greatly, which created the enormous resources waste, even left behind serious production security risk. Through the distributional, collabrative, visible, digitized method, the modern measuring and control technique realize the data monitor, quality control and value simulation of the complex

7、 process, under the Virtual Prototyping simulation design evaluation and optimization method based on the modern measuring and control ideology, this thesis attempts to use the simulation-driven MDO technology to extend the product design process, as well as using multi-domain simulation model, and

8、the virtual evaluation solve the Virtual Prototyping design optimization. First, the simulation-driven complex product design method has been analyzed, from the conceptual design, the preliminary design, to detail designs the thesis has elaborated how to carries on the corresponding effective evalua

9、tion, then carried o n the induction and synthesis from the global situation, formed a set of completely, progressive evaluation and optimization strategy. Secondly, the essential method of the simulation-driven product Virtual Prototyping collaborative design evaluation and optimization has been gi

10、ven, through the product Virtual Prototyping simulation modelling, collaborative running as well as optimization and evaluation, one kind of distributional collaborative evaluation and optimization pattern has been formed, using simulated model, the multi-domain integration, process control as well

11、as evaluation and optimization of the product design optimization system has been initially solved. ii 河北工业大学硕士学位论文 Finally, take the design evaluation and optimization of the airline as an example, and take the wing structure, aerodynamics multi-domain design as the object, this thesis carried on t

12、he confirmation to the above method, and obtained the synergy, compared with the traditional method, the simulation-driven design evaluation and optimization is more scientific, and more complete, which has the guiding sense to the product design. KEY WORDS: Simulation-Driven, Modern Measuring and C

13、ontrol Technique, Virtual Prototyping, Product Design Evaluation, Collaborative Optimization iii 基于仿真驱动的大型亚声速后掠翼的设计评估与优化研究 目 录 摘 要 . i ABSTRACT. ii 目 录 . iv 第一章 绪论 .1 1 -1 引言 . 1 1 -2 课题背景 . 1 1 -3 产品设计的评估与优化现状 . 2 1-3-1现代产品特征 . 2 1-3-2产品设计的评估与优化研究方向 . 3 1-3-3产品设计的评估与优化研究成果 . 4 1 -4 本文的研究内容及结构安排 . 5

14、 第二章 基于仿真驱动的产品设计方法 .6 2 -1 产品的仿真设计综述 . 6 2-1-1发展阶段 . 6 2-1-2成熟阶段 . 7 2-1-3高级阶段 . 8 2 -2 基于仿真驱动的复杂产品设计方法研究 . 9 2-2-1复杂产品的特征 . 9 2-2-2复杂产品的仿真设计 .10 2-2-3. 基于仿真驱动的复杂产品设计方法 .11 第三章 基于仿真驱动的产品评估与优化方法 . 14 3 -1 产品的评估方法综述 . 14 3-1-1层次分析法 .14 3-1-2蛛网图法 .14 3-1-3灰色系统论 .15 3-1-4物元分析法 .15 3-1-5模糊综合评估法 .16 3-1-6

15、粗糙集理论 .16 3 -2 基于仿真驱动的复杂产品设计评估方法 . 16 3-2-1基于仿真驱动的评估结构 .16 3-2-2基于仿真驱动的评估准则 .18 3-2-3基于仿真驱动的评估指标 .19 3 -3 基于仿真驱动的复杂产品的协同优化 . 22 3-3-1基于仿真驱动的产品优化问题 .22 iv 河北工业大学硕士学位论文 3-3-2基于仿真驱动的复杂产品的协同优化 . 23 3-3-3复杂产品设计的多学科设计优化方法 . 29 第四章 大型亚声速后掠翼的仿真设计 . 31 4 -1 大型亚声速后掠翼的仿真建模及校验 . 32 4-1-1大型亚声速后掠翼的参数化 CAD 建模 . 32

16、 4-1-2大型亚声速后掠翼的仿真模型及校验 . 36 4-1-3大型亚声速后掠翼的环境仿真模型 . 43 4 -2 大型亚声速后掠翼气动、结构多领域协同仿真及过程监控 . 44 4-2-1大型亚声速后掠翼气动性能仿真 . 44 4-2-2大型亚声速后掠翼气动仿真的理论验证 . 50 4-2-3大型亚声速后掠翼结构性能仿真 . 54 4-2-4大型亚声速后掠翼设计中的颤振仿真 . 58 第五章 基于仿真驱动的大型亚声速后掠翼的评估优化 . 64 5 -1 仿真驱动的大型亚声速后掠翼设计评估 . 64 5-1-1层次分析法 . 64 5-1-2仿真驱动的大型亚声速后掠翼的设计评估 . 66 5

17、-2 仿真驱动的大型亚声速后掠翼的协同优化 . 68 5-2-1 大型亚声速后掠翼协同优化问题分析 . 68 5-2-2 基于 AnsysWorkbench 集成平台的协同优化问题求解 . 69 5-2-3 基于 ISIGHT 集成平台的协同优化问题求解 . 71 第六章 总结 . 74 参考文献 . 75 致 谢 . 80 攻读学位期间所取得的相关科研成果 . 81 v 河北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 -1 引言 评估与优化是产品设计中的关键环节，当前瞬息万变的市场环境下，产品的评估与优化不仅要使产 品的设计方案更符合用户要求，更能适应多变的市场发展，同时还要体现出设计低成本、快

18、速响应的特 点，能随着时间的推进而不断改进。传统的产品评估优化方式是由专家根据已经设计好的产品方案申报 表打分评定，以评选出较优的产品设计方案，然后根据优选方案进行产品的优化，这样的评估方式存在 着主观随意性大、指标简单、评估过程单一、评估结果一次性的缺点，不能实现实时评估和大量评估数 据的处理 1，用户的意见、设计者的设计思想不能够很好的与专家进行沟通，专家的选择受到领域知识和自身信息的限制，不能很好的区分出最优方案，产品评估的周期过长，已不能满足企业对信息化的要求。 随着电子计算机的迅猛发展，仿真技术已经在工业设计领域占有重要地位。计算机仿真技术无疑成为了一种现代的、基于数学分析的产品评估

19、与优化方法和工具。这样，在对具有可以定量考虑的目标进行分析、推理和计算时，传统的采用专家集中讨论、评估的方法则被计算机以工具的形式所代替。由计算机仿真驱动的产品评估与优化参与了从用户的需求分析、概念设计、初步设计一直到详细设计的每个阶段，产品评估与优化已经不再是一个串行的计算过程，而是一个分布式循环迭代过程，更是一个逐步求精的由设计计算、测试分析、协同优化及综合评估组成的求解非线性系统 的融合工作过程。 由此可见，仿真驱动的产品设计方案评估与优化，不仅可以为产品设计建立畅通的信息反馈渠道和提供比较完备的算法支持，同时还缩短了产品设计者与评估专家之间的距离，增强他们之间的交流，从而支持复杂产品的

20、设计创新，提高了产品设计阶段的质量保证。为企业提高产品开发效率，缩短整个设计周期，降低产品方案论证及产品全生命周期成本，增加企业收入，提高企业的综合竞争能力；此外仿真评估优化系统可满足多领域专家的协同设计，共同参与评估讨论，为产品的设计提供了一个虚拟的平台。 本文提出的基于仿真驱动的产品设计评估优 化课题的出发点，就是试图将复杂的、多域协同的产品设计过程作为测控对象，在研究产品设计优化过程方法和规律的基础上，探索现代测控思想方法及应用技术在产品设计优化中面临的市场快速反应、质量的高度要求及生产安全保障条件下的应用。 1 -2 课题背景 近年来，产品设计准则正发生从 “性能设计 ”（ desig

21、n for performance）到 “经济可承受性和质量设 计 ”（ design for affordability and quality）的转变 2。对产品进行连续反复的设计、使基于某单一性能最 优化的设计方式已经不能满足企业信息化需求。为了适应新的产品设计准则，并在产品开发过程中考虑 1 基于仿真驱动的大型亚声速后掠翼的设计评估与优化研究 到不确定性、多元性、系统寿命周期等因素，以及为了满足将来创新性目标所需要的新方法等原因，必 须建立产品设计的新方法和新技术，在产品真正制造之前，对其进行了反复的论证和校核，保证产品方 案的最优化，对于一些难以真实在现的过程可以提供操作和临界条件下

22、检验测试手段，允许将仿真方案 模型在虚拟复杂现实环境中进 行评估，以较小的代价获得高度灵活性、可重复性和结果的事后性能分析。 现代测控作为一门高新技术，是以测控、电子、测量等学科为基础，涉及计算机仿真技术、信息处 理技术、自动控制技术、测试测量技术、仪器仪表技术及网络技术等领域，是一门集成了众多领域高端 科技并具有工程实际意义的综合性技术。近年来，随着现代科学技术的飞速发展和不断融入，现代测控思想发展迅速，并朝着智能化、集成化、微型化、虚拟化、网络化和远程化的方向大步迈进 3。 现代测控技术由于其强大的实践性，在国防军事、电子制造、工农业自动化等方面都有着广泛的应 用：在航天领域中实现了对航天

23、器的跟踪测量，能够获取其运动参数以及内部的各种物理、宇航员生理 等重要数据，监视其飞行和内部工作状态，为指挥中心的指挥、控制提供重要信息，并通过对实测数据 的处理、分析，为评估航天器的技术性能和改进设计提供依据；运用虚拟仿真技术进行各种设备的监控 与检测，如：可模拟测量不同进口压力和转速下的液力变矩器的性能参数，进行蚕茧无损质量检测，进 行秧苗自动化仿真分析，预测在最后发芽期限内发芽 良好的秧苗数量并监视秧苗质量；微型检测与数字 化传感器广泛应用于对机器人、交通、医学、化工、防伪等领域，如：银行监控、环境温度监测、火车 机车的状态监测、心内压监控等；智能测控及远程监控技术在工业、农业、军事国防

24、、医疗、抢险救灾、 环境监测、城市管理、反恐等许多领域具有潜在的实用价值和重要的科研价值，在核电站检测、电网运 行监控、石油输送管道的远程监控、机器人的远程监控等领域应用广泛，解决了距离较远、不易布线、施工环境复杂等困难 4。 基于以上背景，本文在现代测控学科思想的指导下阐述了产品的仿真设计方法，并研究了在仿真设 计的基础上如何进行产品评估与优化，使评估和优化贯穿整个产品设计的周期当中，对产品设计进行实 时的质量控制，目的就在于完善传统设计方式中存在的不足，弥补产品设计中高成本、长周期的缺点。 1 -3 产品设计的评估与优化现状 1-3-1现代产品特征 在现代的产品设计中，多数情况下要面对的是

25、诸如航天器、机器人、汽车等复杂产品（ Complex product， CP），这类产品具有结构复杂、功能复杂、多领域耦合的特 点，不能通过单领域的简单设计方法进行求解。 目前，复杂产品的方案设计通常还停留在根据传统设计经验进行串行设计的阶段。以汽车的设计过程为例，汽车设计包含了机械、材料、控制、液压、电子、气动等多门学科，各学科之间相互独立，又相互作用相互影响。在传统的方案设计中，往往是各个学科的专家独立设计，相互之间没有信息交流和数据传递，分别进行结构系统、控制系统和电子系统设计，最后进行整体的工艺装配设计。这种设计模式无疑是将同时影响机械、材料、控制、液压、电子、气动等因素人为地进行划分，并没有充分利用各个领域（子系统）之间的相互耦合进行设计协同，因此，新方案在整体装配之后仍需要修改和补充，然后再进行整体组装，如此反复，知道最后得到满意结果。这种串行设计模式，必然会导致设计周期加长， 2