飞行器多学科设计优化理论与应用研究

　　本书系统阐述了飞行器多学科设计优化的理论和应用问题。其中，理论方面包括多学科设计优化理论的发展历史、基本概念、理论基础、建模、近似方法、灵敏度分析、搜索策略、优化过程和计算环境；应用方面介绍了4个实例:即导弹、高超声速飞行器、飞机和卫星系统的多学科设计优化。本书内容丰富翔实，深入浅出，具有较强的前沿性和实用性，可供从事飞行器或其它工业设计的研究人员和工程设计人员参考，也可作为高等院校飞行器设计及相关专业研究生和本科高年级学生的教材。...
　　

第1章 绪论.
1.1 飞行器设计简史
1.2 mdo方法的提出
1.3 国内外mdo研究进展
1.4 mdo的发展展望
参考文献
第2章 mdo的基本概念
2.1 mdo的定义与特点
2.2 的主要研究内容和研究模式
2.3 飞行器mdo的重要意义与关键技术
参考文献
第3章 mdo的基础理论
3.1 复杂系统的分类
3.2 系统优化与子系统优化的关系
3.3 复杂系统的分解一协调法
3.4 一类特殊系统的分解一协调法
参考文献
第4章 面向mdo的建模
4.1 概述
4.2 过程建模

　　1903年12月17日，由美国莱特兄弟制造的人类第一架有动力可操纵的飞机进行载人飞行并获得成功，这被公认为现代飞行器的起点。从那时到现在的100多年间，飞行器技术不断进步，飞行器的设计要求也越来越多，越来越高。在飞行器发明的初期，设计要求只是升力等于重力，并且具有一定的操稳性。而当今对于各类飞行器的设计要求往往包括飞行性能、结构强度和刚度、可靠性、可制造性、维修性、成本和进度等多种设计要求。这些不同方面的设计要求通常相互影响、相互耦合，使得飞行器设计涉及的学科越来越多，专业分工越来越细，研制过程日趋复杂，设计周期越来越长，开发成本越来越高。为了提高飞行器设计质量，加快设计进度，降低开发成本，人们开始对飞行器的研制过程，特别是飞行器的设计过程，加以考察和研究。.
　　在1991年美国航空航天学会(AIAA)所出版的白皮书中指出，传统的飞行器设计过程可概括为先进行概念设计，确定飞行器布局，然后进行初步设计，飞行器外形冻结后，开始展开全面的细节设计。在概念设计阶段，主要涉及空气动力学和推进系统设计；在初步设计阶段，主要设计内容是结构布局和分析；在详细设计阶段，主要进行各种系统设计和零件设计。在不同的设计阶段，设计人员应用相关的学科知识和经验进行设计和优化，去寻找最优解，如气动性能设计和优化、结构设计和优化等。这种设计模式实质上具有序列性，并没有充分利用各个学科(子系统)之间的相互影响可产生的协同效应，这种对系统进行人为分割的序列设计方法极有可能失去系统的整体最优解。这种设计模式的另一个缺点是设计过程按序列展开，即设计模式属于串行设计模式，设计周期必然加长，开发成本相应增加。
　　此外，该白皮书也指出，随着飞行器各学科(如气动计算、结构分析)的研究内容不断深入，分析模型精度越来越高，与之相关的分析工具(如各类计算机程序)更加复杂，功能更加强大。从理论上说，这些精度高的分析模型和功能强大的软件可为设计过程提供更多更精确的信息，有助于设计人员发现更好的设计方案，从而缩短研究周期和降低研制费用。但在实践中，由于计算和组织的复杂性，这些分析模型和计算机程序往往仅作为一种分析工具，在总体设计过程中很难得到充分利用。因此，现有的工程设计方法与各学科所取得的成就是不相称的。
　　针对传统总体设计方法的缺点，近年来美国等发达国家提出了一种新的设计方法：多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization，MDO)。其主要思想是在复杂系统设计的整个过程中集成各个学科的知识，并充分考虑各门学科之间的互相影响和耦合作用，应用有效的设计／优化策略和分布式计算机网络系统，来组织和管理整个系统的设计过程，通过充分利用各个学科之间的相互作用所产生的协同效应，以获得系统的整体最优解。
　　MDO的优点在于可以通过实现各学科的模块化并行设计来缩短设计周期，通过考虑学科之间的相互耦合来挖掘设计潜力，通过系统的综合分析来进行方案的选择和评估，通过系统的高度集成来实现飞行器的自动化设计，通过各学科的综合考虑来提高可靠性，通过门类齐全的多学科综合设计来降低研制费用。
　　虽然Ⅶ)O作为一个专门的研究领域确立不过短短十余年的时间，但已经产生了巨大的效益并引起了广泛的重视，单以其在飞仃器设计中的应用来看，目前MDO的应用对象已经包括高超声速飞行器、可重复使用运载器、翼身融合飞行器(BWB)、支架翼飞机、卜一代太空望远镜(NGST)、X-33、X-43A、F／A-18E／F、F-22、GARTEUR区域运输机、A3xx客机等各类飞行器。美国的MDO研究领导机构--美国航空航天局朗利研究中心多学科设计优化分部(MDOB)更是宣言将把MDO方法应用到未来的所有飞行器总体设计过程中去。
　　MDO在航空航天领域内的成功也引起了其它工程设计领域的重视，以MDO的发祥地美国为例，目前已成立了20多个以MDO为主要研究内容的研究中心，“工程系统的多学科设计优化”已被列为美国工科研究生的必修课。MDO的应用范围已经拓展到了武器、汽车、计算机、通信、机械、医疗以及建筑等各个领域，部分基于MDO思想的软件已经实现了商业化，如iSIGHT、ModelCenter、AML等。..
　　在我国，就飞行器设计技术而言，多年以来一直得到普遍使用的仍然是在20世纪五六十年代就已得到广泛应用的“参数修正法”等较为传统的方法，近年来虽然随着优化设计理论的不断完善和计算机技术的飞速发展，在某些单学科领域内优化设计方法得到了应用，甚至也出现了多学科之间的简单综合研究(如总体／发动机一体化研究、弹道／发动机一体化研究、弹道／气动一体化研究等)，但这些还不能称得上是真正的MDO研究，因为它们对于各门学科之间的耦合和协同的研究还远远不够深入，而且覆盖的学科门类还太少。因此，我国的飞行器设计技术还亟待提高。
　　1997年，作者第广次接触到IVIDO这一概念，并深感其重要性，遂于1998年在国防科技大学航天与材料工程学院成立了一个主要由多个学科的博士生、硕士生参加的“飞行器多学科设计优化研究”课题组，在国内较早开始了对于MDO理论的研究。2003年，在该课题组的基础上，进一步与国内部分航空航天设计部门及 软件公司联合成立了“飞行器多学科设计优化研究中心”。近几年来，课题组已先后完成了8篇博士论文，11篇硕士论文，所形成的方法与成果在多种航空器、运载器、航天器、导弹武器的总体设计中得到了成功应用，在国内航空航天领域产生了一定影响。目前，课题组已经受到多项国家863高技术研究计划、国家自然科学基金、国防预研和外协课题的资助，有十余名博士与硕士在从事该理论的研究。
　　在研究工作中，本课题组与组与国外的多个MDO研究中心建立了良好的联系，并通过他们搜集了大量有价值的资料。在阅读资料的过程中我们发现，虽然目前国内外MOD的研究已经成为热潮，但MDO的出版物主要限于各类会议论文集，至今尚未出现系统介绍MDO理论的专著，这使我们萌生了编写一本这类专著的想法，并受到了国内航空航天界诸多同仁的鼓励与支持。特别是美国宾夕法尼亚大学的Vigor Young博士和佛罗里达州立大学的Satch博士，为我们提供了美国20余所院校开设的研究生MDO课程教学大纲及相关文献，正是在对这些教学大纲的整理与综合的基础上，形成了本书最初的写作提纲，并经过多次讨论形成了本书的最终写作提纲。
　　本书是对课题组近年来研究工作的总结，并试图反映国内外当今研究发展的状况。本书的书名基本上反映了全书的内容，即飞行器MDO的理论研究和MDO的应用研究。前一部分侧重介绍将MDO应用于飞行器设计中时需要解决的几项关键技术；后一部分结合我们所完成的几个飞行器设计的实例来说明MDO理论的具体应用。
　　全书共分为13章：第1章介绍MDO产生的背景和发展状况；第2章～第9章为MDO的理论研究，包括MDO的基本概念和主要研究内容、基础理论、建模方法、近似方法、系统灵敏度分析方法、设计空间的搜索策略、优化过程、计算环境；第10章～第13章为MDO的应用研究，包括MDO方法在导弹集成设计、高超声速飞行器总体设计、飞机概念设计、卫星系统设计中的应用。本书第1章由陈小前、吴先宇编写，第2章由陈小前、许林编写，第3章由陈小前、赵勇编写，第4章由吴先宇、罗文彩编写，第5章由李晓斌、张为华编写，第6章由颜力编写，第7章由李晓斌、罗文彩编写，第8章由许林、赵勇编写，第9章由许林、张为华编写，第10章由吴先宇、张为华编写，第11章由吴先宇、许林编写，第12章由罗文彩、杨维维编写，第13章由赵勇、陈小前编写。全书由王振国统稿和审校。
　　本书的研究工作得到了国家自然科学基金(资助号：10302031)和国家863计划(资助号：2004AA721051)的资助，并感谢中国运载火箭研究院的陈海东、沈重，中国空间技术研究院的刘霞、胡凌云，航空发展研究中心的龚旭东、段勇等的指导帮助，还要感谢赛特达公司的戎雷，ATE公司的张苏、李义章，MSC公司的隋俊友，古天联成公司的赵秋光等的一贯支持。最后，特别感谢国防科技出版基金的资助。
　　本书可供从事飞行器或其它工业设计的研究人员和工程设计人员参考，也可作为高等院校飞行器设计及相关专业研究生和本科高年级学生的教材。希望本书的出版对推动MDO理论在我国飞行器及其它工程设计领域的研究与应用能起到良好的作用。
　　由于MDO是一个很新的研究领域，并仍处于在不断的发展变化当中，本书必然还存在许多疏漏之处，恳请读者批评指正。...
　　编著者
　　2006年1月