基于网格参数化和变复杂度的多学科可靠性优化设计方法

There are two significant deficiencies in the traditional method of Multidisciplinary Design Optimization. ① The geometry may reconstruct fail in the optimization processing and the automated mesh regeneration will cause the drift of the numerical analysis results; ② the reliability-based multidisciplinary design optimization has a relative low efficiency. The purpose of this research is solving the above deficiencies of Multidisciplinary Design Optimization. Firstly, the mesh morphing method for Multidisciplinary Design Optimization is studied, which can morph the 3D free form shape and geometry feature simultaneously. The mesh generation based Multidisciplinary Design Optimization will avoid the steps of the geometry reconstruction and mesh regeneration. Secondly, the double loop and single loop method of reliability based optimization will be introduced to the frame of Multidisciplinary Design Optimization. Considering the ideology of variable complexity optimization, the reliability based Multidisciplinary Design Optimization with variable complexity is obtained. Turbine cooling blade is optimized by the researched methods, which will be verified in this research. This research will enrich and improve the existing theory of Multidisciplinary Design Optimization. The research can also extend the application range of multidisciplinary design optimization and improve its practicability in the industry dramatically.

传统多学科设计优化方法有如下缺点：①优化过程中存在几何重构失败的风险，自动划分的网格质量会引起数值分析漂移；②基于可靠性的多学科设计优化寻优效率较低。针对上述问题，本项目发展一种适用于多学科设计优化的网格参数化方法，可以同时实现自由曲面和几何特征的三维网格变形，避免优化过程中几何模型的重构和网格的重新划分；在多学科设计优化框架下，结合单循环、双循环的可靠性优化策略，建立高效的基于变复杂度的多学科可靠性优化设计方法；考核所提出的方法，并实现单晶涡轮冷却叶片的多学科可靠性优化设计。本项目的研究将丰富和完善现有的多学科设计优化理论，可以进一步推广多学科设计优化的应用范围，并且显著提高其工程实用性。

本项目在涡轮冷却叶片几何造型设计研究基础上，建立了涡轮冷却叶片几何模型；针对涡轮冷却叶片流场、结构分析网格的特点，分别研究了基于自由网格变形和径向基函数的网格参数化方法；研究网格光顺方法保证变形后的网格精度；分别建立了平面叶栅、三维涡轮冷却叶片流场分析的参数化网格，以及三维涡轮实心叶片、涡轮冷却叶片二维截面、涡轮冷却叶片三维结构的参数化网格；在网格参数化基础上，实现了涡轮叶片气动优化设计。为在全局和局部范围内同时提高代理模型精度，在Kriging模型基础上提出一种基于垂距的多点取样算法；在多学科设计优化框架下，结合MDA、CSSO多学科设计优化系统，建立了多学科可靠性优化设计方法和基于6 σ的多学科稳健性优化设计方法，并实现了离心叶轮的多学科不确定分析；提出一种基于代理模型的变复杂度优化设计方法，引入到多学科可靠性设计优化中，建立了基于变复杂度的多学科可靠性优化设计方法，实现了涡轮实心叶片的优化设计。统计了单晶涡轮冷却叶片随机因素；在涡轮冷却叶片多学科分析网格参数化的基础上，建立了涡轮冷却叶片多学科可靠性优化设计系统，基于灵敏度分析提取关键设计变量实现冷却叶片的多学科可靠性优化设计；通过与传统基于几何参数化的多学科设计优化进行对比分析，考核和验证了所提出的方法。本项目提出的基于网格参数化、变复杂度的多学科可靠性优化设计方法，进一步丰富和完善了现有的多学科设计优化理论，并在涡轮冷却叶片上进行了应用验证，具有重要的理论研究价值和广泛的应用前景。