美國AIAA學會發布航空航天技術年度綜述——多學科優化

AIAA學會多學科設計優化技術委員（為多學科分析、敏度分析、優化設計和人工智慧等方法的開發、應用和教學提供論壇）總結了2017年全球航空航天多學科優化技術進展。

2017年6月，波音商用飛機副總裁兼飛機研發總經理邁克·德萊尼（Mike Delaney）向「航空周刊與空間技術」簡要介紹了多學科設計優化的重要性：「在任何常規決策之前，波音都要利用多學科設計優化和基於模型的系統工程，對新的中型飛機（NMA）的設計、製造和試驗開展密切分析。如今，早在項目尚未啟動之前，我們就開始了分析程序，並且已經知道了未來的生產系統將會是什麼樣。」

2017年，通過NASA的OpenMDAO軟體，MDO對航空航天的研發產生了影響。這個軟體被用於新的研究工作領域，包括NASA的X-57試驗性飛機的推進功率和熱軌跡耦合分析，以及邊界層攝入尾錐-推進構型的推進-氣動全耦合模擬分析。

歐洲CS2計劃的「飛機系統集成建模和模擬工具」（MISSION）項目，開發並演示了一個模擬環境，以協調整合不同的模型和工具。MISSION結合了MDO方法和基於模型的系統工程，為飛機系統的設計、研發和驗證開發了一個集成框架。

學術研究人員2017年的研究工作取得了重要進展，提高了MDO方法的魯棒性和適用性。挑戰之一是複雜的模擬往往會產生不準確的敏感度。為了解決這個問題，倫斯勒理工學院於8月份開發了一種新穎的基於梯度的演算法來處理雜訊或不準確的數據。另一個挑戰是在設計過程中管理不同的多學科數據源。在8月份，麥吉爾大學系統優化實驗室提出了基於充分性的模型集合管理優化方法。由麻省理工學院牽頭的多學科研究空軍辦公室計劃在12月的加州神經信息處理系統會議上發布一個多信息源管理方法工具箱，該工具箱包括康奈爾大學、聖達菲研究所和麻省理工學院共同研發的貝葉斯優化方法。該團隊還在德克薩斯州農工大學的帶領下，開發了連續信息源融合方法。

拓撲優化是另一個令人興奮的領域。2017年7月，加利福尼亞大學聖地亞哥分校多尺度、多物理學設計優化實驗室開發了一個多尺度優化框架，該框架能同時優化一個集成了材料和結構的系統。這與綜合計算材料工程的興起有直接關係。南安普敦大學開發了適用於可變拓撲的設計優化方法和軟體，並在燃氣輪機燃燒系統和飛機拓撲結構快速優化方面得到應用。

MDO的最新應用突出體現了它能加快系統設計進程。達拉斯德克薩斯大學能源系統實驗室使用MDO來優化設計電動汽車的鋰離子電池熱管理系統，伊利諾伊大學工程系統設計實驗室開展了風電場布局和控制的協同設計。弗吉尼亞理工大學先進車輛多學科分析和設計中心正在與明尼蘇達大學、奧羅拉飛行科學、STI公司、DKS和Associates以及CMSoft合作，在NASA「性能自適應氣動彈性項目」的資助下對X-56飛機進行優化。該小組已經製造1:2尺寸的X-56飛機，並計劃啟動飛行測試，研究對柔性飛機的主動控制。

圖1弗吉尼亞理工大學的研究人員設計了這個大約50%比例的NASA X-56A的柔性機翼，以減輕重量和提高氣動效率。這架飛機由來自明尼蘇達大學的團隊成員製造。

喬治亞理工學院為NASA的FUN3D編碼開發了一種高保真氣動彈性耦合框架FUNtoFEM，用於固定翼或旋翼飛行器的伴隨式MDO。密歇根大學開發了OpenAeroStruct，這是一個開源低精度機翼氣動結構優化工具。OpenAeroStruct被用於MDO課程的教學，並作為耦合系統求解器、MDO體系架構和不確定性量化研究的基準。密歇根大學和NASA開發了uCRM，這是一個開放系統，可用於基於NASA通用模型的高精度氣動結構研究。

（航空工業發展研究中心 宋剛）

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