活塞发动机多学科集成优化设计及关键技术研究

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雅宝题库解析：
近年来随着国内外轻型飞行器市场的快速发展，轻型飞机、无人机技术得到越来越多国家的重视，其中一部分活塞式发动机被应用于轻型飞行器，利用航空活塞发动机和螺旋浆作为动力，航空活塞发动机以其良好的经济性而成为中低速、中低空飞行器的首选动力装置。轻型飞行器使用的活塞式航空发动机近年来成为新的研究热点，航空活塞发动机的开发依托于内燃机的相关技术，并且内燃机和活塞发动机的发展关系到国民经济的发展和我国装备制造业的进步，并且涉及环境保护题目。二十世纪中期以来，在世界范围内，内燃机以电控、电喷技术为突破，带动了内燃机的快速发展。汽油机的电控喷射、柴油机的高压喷射以及排气后处理装置，实现了内燃机综合性能的大幅提升，发展高性能内燃机已经成为许多国家技术发展的重点，航空活塞发动机在这样一个大环境下性能也得到了大幅提高。为了加强我国中低空领域的开发，提高空中运送、侦查、监测能力，提升综合国力和保卫空域资源，我国正在加大相关装备调研、研发。本文是发动机燃油数字调节和高空控制技术研究项目的后续研究，将多学科设计优化方法作为一种新的设计方法引入航空活塞发动机的总体设计中，探索系统设计中的设计变量与目标之间的关系，得到优化的总体设计结果。为多学科优化设计方法在轻型飞行器动力装置方面的应用做了探索性的工作，归纳起来本文主要进行了以下几个方面工作：（1）系统阐述了多学科设计优化的基本理论及方法，概括了航空活塞发动机的系统组成，对应用于复杂工程的多学科优化设计算法及框架进行了详细介绍及分析。（2）针对航空活塞发动机复杂系统进行了多学科优化分解研究。阐述了求解航空活塞发动机涉及多个耦合学科题目的几类求解方法；介绍了多学科优化设计中的几种近似方法，其中试验设计和近似模型技术作为重点进行了论述，论述了多学科设计优化中的优化框架，对多学科计算框架中的单级和多级框架进行了比较，归纳提出了采用基于近似模型的优化搜索策略。（3）针对航空活塞发动机的MDO系统分解结构，结合试验设计、响应面模型、优化策略提出了DRS优化集成模型，利用试验设计对变量的设计空间进行分区，达到利用较少试验得到较为全面的因素效果；论述了应用统计学的方法对结果进行处理，建立目标变量与设计变量之间的模型近似关系。基于流程组件开发针对航空活塞发动机的优化集成平台，建立一个具有流程识别分析功能的交互平台；集成平台利用软件代理模式，能够集成一般程序包，以及CAD/CAE等软件程序；基于响应面模型，利用序列二次规划优化算法进行空间搜索，得到基于近似模型的优化结果。（4）分析了航空活塞发动机进排气/燃烧系统基于欧拉方程的求解原理，建立了航空活塞发动机进排气/燃烧系统的计算模型，归纳总结了系统的设计变量、目标和约束，在此基础上进行了多学科集成优化，重点研究了进气系统参数和点火时刻等关键控制参数对发动机性能的影响，归纳了设计变量与目标变量之间的影响关系，并提出了优化方案；对地面和高空环境下的活塞组进行了形状恢复研究，建立了活塞组的多学科集成优化模型，对活塞参数与活塞变形的关系进行了较为深入的研究，得到了设计变量对变形率的影响关系，为设计工作可靠的活塞提供可操作的实际路线。（5）对适用于航空活塞发动机的小型增压器压气机进行了多学科集成优化研究，对增压器压气机关键部件采用逆向曲面重构的方法，建立了参数化模型，对压气机整体进行了三维流动分析，计算出压气机性能曲线，计算出叶轮的气动参数及叶片表面的压力场；利用流固耦合的方法，对叶片进行了结构、振动的一体化优化，在满足叶片强度要求和频率特性的条件下，降低了叶片质量。