本书介绍了一种以飞行器翼面为设计对象，针对气动/结构一体化设计的多学科优化设计方法。旨在应用多学科优化技术对飞行器翼面进行考虑气动弹性影响的优化，设计出在不发生颤振危害的条件下，升阻比和重量达到整体最优的翼面结构。本书内容包括：基于计算流体力学的翼面流场数值计算方法及其验证，基于计算流体力学/计算结构动力学方法的翼面气动弹性问题研究，翼面优化代理模型的构建，翼面的协同优化算法。

本书可供从事航空航天或多学科优化方面的科技工作者阅读，亦可供高等院校航空航天、机械等工科专业师生课外参考。

第1章 绪论

1．1 飞行器设计背景

1．2 多学科设计优化简介

1．2．1 多学科设计优化的发展历史及现状

1．2．2 多学科设计优化的基本概念

1．2．3 多学科设计优化的研究内容

1．3 气动弹性现象研究

1．3．1 气动弹性现象研究内容

1．3．2 气动弹性现象发展历程

1．4 本书主要研究内容

1．4．1 本书研究方法

1．4．2 本书的研究特点及进一步工作设想

第2章 基于计算流体力学的流场数值计算方法及其验证

2．1 计算流体力学技术简介

2．1．1 计算流体力学技术的发展历程

2．1．2 计算流体力学技术的离散方法

2．1．3 计算流体力学技术的网格生成技术

2．2 定常流场计算过程

2．2．1 建立模型

2．2．2 划分网格

2．2．3 数值求解

2．3 流场计算结果

2．4 本章小结

第3章 基于计算流体力学／计算结构动力学的气动弹性仿真方案及验证

3．1 气动弹性求解方法简介

3．1．1 静气动弹性问题求解方法

3．1．2 动气动弹性问题求解方法

3．2 流场／结构时域耦合求解方法

3．2．1 计算流体力学非定常流场的求解

3．2．2 计算结构动力学气动弹性方程求解

3．3 流-固耦合界面信息传递方案

3．3．1 流-固耦合界面信息传递的基本原理

3．3．2 流-固界面插值

3．4 动网格算法

3．4．1 动网格计算中方程的离散

3．4．2 网格运动形式

3．5 翼面气动弹性数值模拟

3．5．1 气动弹性仿真方案

3．5．2 颤振仿真程序算例验证

3．5．3 翼面气动弹性仿真

3．6 本章小结

第4章 翼面优化的代理模型构建

4．1 试验设计技术

4．1．1 全析因设计

4．1．2 中心复合设计

4．1．3 拉丁方设计

……

1903年12月17日，美国人莱特兄弟制造出了人类历史上第一架有动力可操纵的飞机，进行了载人飞行并获得成功，从此以后人类开始了现代飞行器的设计历程。从1903年至今这100多年间，飞行器设计的水平不断进步，飞行器的设计要求也越来越高。最初的要求仅仅是保障升力能够克服重力且能够操纵，但随着学科的发展和各项技术的进步，如今对各类飞行器的设计要求已经涉及飞行性能、结构强度和刚度、可靠性、隐身性、可制造性、研发制造周期、可维修性及成本等。目前的飞行器设计所涉及的学科非常多，且分工越来越精细，因此所包含的设计要求会互相影响和耦合，增加了研究的复杂度。为了解决这一问题，有必要对飞行器的研究和设计过程进行考察和研究。

在美国航空航天学会（AIAA）所出版的白皮书中将传统飞行器设计分为概念设计一初步设计一详细设计三部分，也就是先定布局，再定外形，最后定细节的设计流程。由于这样串行设计无法利用各个学科间的协同效应而忽略了学科间的影响，即使学科内的知识和经验在增长，最终也无法达到总体最优解，更遑论串行设计所带来的周期延长和成本增加。

同时随着飞行器气动计算和结构分析等学科研究的进步，学科内所发展出的分析模型精度不断提高，伴随着计算机技术的进步，各类学科分析的计算工具也越来越强大，为了发现更好的设计方案，应在飞行器的设计方法中充分利用这些高精度的模型和先进的计算程序来尽量多采用各学科的先进成果以促进总体设计过程的进步。

当前的飞行器设计多采用一种新的设计方法，即多学科优化设计（multidis-ciplinary design optimization，MDO）。MDO是一种通过充分探索和利用工程系统中相互作用的协同机制来设计复杂系统和子系统的方法论。其主要思想是在复杂系统设计的整个过程中，利用分布式计算机网络技术来集成各个学科（子系统）的知识，应用有效的设计优化策略，组织和管理设计过程。其目的是通过充分利用各个学科（子系统）之间的相互作用所产生的协同效应，获得系统的整体最优解，通过实现并行设计，来缩短设计周期，乃至降低成本。

因此，MDO可以通过各学科的模块化来缩短设计周期，充分考虑学科间的相互耦合来提高设计水平，与飞行器研制技术中的并行工程思想不谋而合，它实际上是用优化原理为产品的全寿命周期设计提供一个理论基础和实施方法，有利于对设计对象进行综合分析来进行多方案的评价选择，便于设计系统的集成以提高设计的自动化，方便各个学科设计要求的综合考虑。

在目前对MDO有所研究的应用对象中包括了各类飞行器、太空望远镜、船舶、汽车、计算机、通信、机械、医疗等，也出现了如iSIGHT、ModelCenter等商业软件。

近年来，我国的飞行器设计技术随着优化设计理论技术的不断完善和计算机技术的不断进步有了较大的提高，逐渐由20世纪50年代开始应用的“参数修正”法过渡到多学科间的简单综合研究，目前对于各学科间的耦合和协同的研究通过各个领域学者的努力在不断深入。

导弹作为近距离飞行器的一种，其尾翼的设计水平对其性能有重要影响。对此类翼面结构的设计涉及气动、结构、气动弹性多个领域，而以往的设计只在单一的气动或结构学科内独立优化而忽略气动弹性作用对性能参数的影响，或只考虑简单的静气动弹性影响而不考虑其动态气动弹性现象的作用。忽略这些弹性变形会影响弹翼优化设计结果的准确性，使设计的导弹弹翼在实际飞行中很难达到预期的性能。

本书作者在某型号导弹的研制过程中接触到多学科优化算法，对飞行器多学科优化理论及几个关键技术加之导弹弹翼气动弹性现象进行研究，并在此基础上发展出一套针对弹翼气动／结构一体化设计的多学科集成设计方法。本书是近年来研究工作的总结，主要内容包括对飞行器翼面进行气动优化设计时所涉及的一些飞行器MDO研究理论和关键技术，同时对于翼面的气动特性研究进行了详细介绍。

本书的章节安排如下。

第1章绪论部分对飞行器翼面设计的必要性、多学科优化设计方法和翼面气动弹性现象做出了综述，介绍了本书研究的背景、主要内容、创新点和进一步研究的方向。

第2章阐述了翼面气动计算所采用的计算流体力学基础，并采用该法对整个飞行器进行了定常流体计算以获取气动力计算结果，并与风洞数据进行对比。

第3章在计算流体力学的基础上，引入动网格和插值技术，发展出一种基于双时间步法和杂交线性多步法的流体／结构时域耦合仿真方法来对翼面进行静态和动态气动弹性仿真，并通过对国际颤振标模的仿真验证了该方案的准确性。

第4章针对第2、3章中翼面的仿真方法无法直接参与优化的问题，介绍了飞行器多学科优化中的常用代理模型技术，讨论了不同试验设计方法和近似方法的特点。通过正交试验设计取样，选取了多项式响应面、Kriging模型和RBF神经网络3种近似方法构建了翼面学科分析的代理模型，并进行了综合评估来确定优化流程中的学科代理模型方案。

第5章对MDO分解策略进行了简介，并采用了协同优化方法对原问题进行了分解。针对协同优化方法数值计算困难进行分析并作了改进。通过一系列算例来判断遗传算法、经典优化算法和组合优化算法的性能，从而选出适合翼面优化的最有效寻优算法。提出了基于代理模型的翼面协同优化流程并在软件平台上实现了对翼面的优化。

第6章对所研究的飞行器翼面依据设计问题的要求完成了优化的数学模型，综合利用了第2-5章的研究结果提出了基于代理模型的翼面协同优化流程，并在软件平台上实现了对翼面的优化。