樊華羽,詹浩,程詩(shī)信,米百剛,姚會(huì)勤
(1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院,西安 710072) (2.清華大學(xué) 航天航空學(xué)院,北京 100084)
飛行器外形多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)跨學(xué)科多目標(biāo)的優(yōu)化任務(wù),包含了總體、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、隱身等多個(gè)領(lǐng)域和專(zhuān)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。這些因素之間相互交叉干擾,進(jìn)一步增加了現(xiàn)代飛行器多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)、電磁計(jì)算精度的提高,數(shù)值優(yōu)化算法結(jié)合先進(jìn)的CFD與電磁計(jì)算,為氣動(dòng)隱身一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了優(yōu)秀的平臺(tái),進(jìn)而針對(duì)各類(lèi)型作戰(zhàn)飛機(jī)的氣動(dòng)隱身一體化研究成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)[1-4]。
相比于常規(guī)布局的飛行器氣動(dòng)隱身優(yōu)化設(shè)計(jì),飛翼布局自身的結(jié)構(gòu)特性使得其在隱身性能上優(yōu)于常規(guī)布局飛行器。但也因此在缺失尾翼、垂尾等結(jié)構(gòu)的情況下,其氣動(dòng)及結(jié)構(gòu)載荷需要通過(guò)機(jī)翼來(lái)補(bǔ)足。國(guó)內(nèi)外針對(duì)飛翼布局無(wú)人機(jī)做了大量研究。K.Hyoungjin等[5]針對(duì)一體化翼身融合體進(jìn)行了詳細(xì)地氣動(dòng)分析;王豪杰等[6]通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)比,結(jié)合CFD完成對(duì)某型無(wú)尾飛翼布局無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)力設(shè)計(jì);在飛翼構(gòu)型氣動(dòng)優(yōu)化方面,王榮等[7]采用高精度粘性氣動(dòng)計(jì)算模型建立了飛翼布局無(wú)人機(jī)外形精度下的氣動(dòng)隱身多目標(biāo)優(yōu)化;張樂(lè)等[8]針對(duì)雙發(fā)布局下的飛翼無(wú)人機(jī)大鼓包機(jī)身,提出了一種減小翼型前緣半徑的機(jī)身前緣類(lèi)“鷹嘴”形飛翼布局優(yōu)化構(gòu)型;陳曦等[9]開(kāi)展了飛翼布局無(wú)人機(jī)在考慮隱身迎角下的氣動(dòng)隱身綜合優(yōu)化。
在針對(duì)飛翼布局無(wú)人機(jī)的多目標(biāo)優(yōu)化中,由于需要頻繁調(diào)用目標(biāo)函數(shù),優(yōu)化過(guò)程需要投入較大的時(shí)間成本和計(jì)算機(jī)資源。如何在平衡計(jì)算精度與計(jì)算效率的情況下建立一套高效的多目標(biāo)優(yōu)化算法,是目前亟待解決的問(wèn)題。本文針對(duì)典型飛翼布局,結(jié)合基于EHVI(Expected Hyper-Volume Improvement)加點(diǎn)準(zhǔn)則的高精度多目標(biāo)優(yōu)化算法,建立一種新的能夠在較少調(diào)用目標(biāo)函數(shù)的情況下完成優(yōu)化任務(wù)的高效多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法,并對(duì)某型飛翼布局無(wú)人機(jī)進(jìn)行隱身氣動(dòng)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。
在n維搜索空間S∈Rn內(nèi),定義一個(gè)目標(biāo)數(shù)量為m的多目標(biāo)優(yōu)化向量fi(x),i=1,…,m,那么帶約束的最小化多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的通用數(shù)學(xué)模型可以表示為
minf(x)=[f1(x),f2(x),…,fm(x)]
(1)
s.t.gj(x)≤0,j=1,…,l
hk(x)=0,k=1,…,p
式中:x=[x1,x2,…,xn],為設(shè)計(jì)變量向量;gj(x)為第j個(gè)不等式約束;hk(x)為第k個(gè)等式約束;l和p分別為不等式約束和等式約束的數(shù)量。
粒子群優(yōu)化(Particle Swarm Optimization,簡(jiǎn)稱(chēng)PSO)算法最初是為了模擬鳥(niǎo)群的飛行覓食行為而提出的一種群智能算法。其初始化為一群隨機(jī)粒子,通過(guò)迭代尋找最優(yōu)解。在每一次迭代中,粒子通過(guò)跟蹤兩個(gè)極值來(lái)更新自己:第一個(gè)極值是粒子個(gè)體所找到的歷史最優(yōu)解,稱(chēng)為個(gè)體最優(yōu)值Pb;另一個(gè)極值是整個(gè)種群目前找到的最優(yōu)解,稱(chēng)為全局最優(yōu)值Gb。在找到上述兩個(gè)最優(yōu)值時(shí),粒子根據(jù)式(2)~式(3)來(lái)更新自己的速度和位置。
(2)
(3)
式中:c1和c2分別為認(rèn)知和社會(huì)加速系數(shù),取值范圍為[0,4],一般取c1=c2=2;r1和r2為兩個(gè)在[0,1]內(nèi)服從均勻分布的隨機(jī)變量。
經(jīng)過(guò)眾多研究人員的深入研究,現(xiàn)在粒子群算法已可以方便地用于處理多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。
CDMOPSO(Crowding Distance Multi-objective PSO)算法是C.R.Raquel等在C.A.C.Coello等提出的多目標(biāo)粒子群算法(MOPSO)[10]的基礎(chǔ)上,使用擁擠度算子代替超網(wǎng)格來(lái)維護(hù)外部檔案而改進(jìn)(如圖1所示)的一種多目標(biāo)優(yōu)化算法[11]。擁擠度算子[12]能夠通過(guò)選擇引導(dǎo)粒子運(yùn)動(dòng)的最優(yōu)解以及維護(hù)外部檔案來(lái)增加種群的多樣性,避免算法過(guò)早陷入局部最優(yōu)。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),缺陷是基于均勻分布的變異操作使其易于陷入局部最優(yōu),解決多模態(tài)優(yōu)化問(wèn)題的能力較差。氣動(dòng)隱身多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種高維強(qiáng)非線性問(wèn)題,因此本文選擇α-stable變異函數(shù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn),通過(guò)α-stable分布[13-14]產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù),對(duì)PSO種群中的個(gè)體進(jìn)行變異。在變異的過(guò)程中,通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整函數(shù)的穩(wěn)定系數(shù)α來(lái)調(diào)整不同優(yōu)化階段變異的范圍和幅度。穩(wěn)定系數(shù)α描述了分布的尾跡大小,決定了隨機(jī)數(shù)的范圍。α的變化范圍是[1,2]。在開(kāi)始階段使用較小的α值,增強(qiáng)全局搜索能力,隨著優(yōu)化循環(huán)的進(jìn)程,α值越來(lái)越大,全局搜索能力減弱,局部搜索能力增強(qiáng),為尋找高精度解提供幫助。其具體變異操作過(guò)程以及優(yōu)化結(jié)果對(duì)比詳見(jiàn)文獻(xiàn)[15],流程圖如圖2所示。本文將其命名為ASMOPSO(Alpha-stable Multi-objective PSO)。
圖1 擁擠距離計(jì)算示意圖Fig.1 Schematic diagram of congestion distance calculation
圖2 ASMOPSO流程圖Fig.2 Flow chart of ASMOPSO
為了增加局部地區(qū)的代理模型精度,減少對(duì)初始樣本空間精度的依賴(lài),采用基于自適應(yīng)加點(diǎn)的動(dòng)態(tài)Kriging代理模型對(duì)粒子群中的未觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行近似評(píng)估。在動(dòng)態(tài)更新代理模型樣本點(diǎn)的過(guò)程中,使用EHVI準(zhǔn)則選擇粒子群多目標(biāo)優(yōu)化過(guò)程中若干個(gè)最可靠的未觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行真實(shí)函數(shù)評(píng)估,更新Pareto解集,同時(shí)提高Kriging代理模型局部區(qū)域精度。
EHVI是M.Emmerich等[16-17]在超體積理論[18]的基礎(chǔ)上結(jié)合單目標(biāo)EI(Expected Improvement)加點(diǎn)準(zhǔn)則[19]提出的一種處理高耗時(shí)優(yōu)化問(wèn)題的新型多目標(biāo)加點(diǎn)準(zhǔn)則。
給定一個(gè)新的解y,假設(shè)它不被Pareto解集P中的任意個(gè)體所支配,那么解集P的超體積改善為
H(y,P)=H(P∪{y})-H(P)
(4)
進(jìn)而就可以定義超體積改善函數(shù)為
(5)
那么基于Kriging代理模型的多目標(biāo)響應(yīng)可視為互相獨(dú)立且服從高斯分布的隨機(jī)變量Yj(x),有:
(6)
式中:m為目標(biāo)數(shù)量。
在此基礎(chǔ)上,可以得到多目標(biāo)期望改善函數(shù):
(7)
式中:Vnd為由Pareto解集確定的非支配區(qū)域,即如圖3所示的細(xì)實(shí)線與坐標(biāo)軸封閉的區(qū)域。
圖3 超體積改善示意圖Fig.3 Diagram of hypervolume improvement
從式(6)可以看出:如果要精確計(jì)算EHVI值,需要在非支配區(qū)域進(jìn)行多維積分。由于非支配區(qū)域的不規(guī)則性,將超體積區(qū)域分割成多個(gè)矩形單元是必不可少的步驟。當(dāng)Pareto解較多或者目標(biāo)維度較高時(shí),精確地識(shí)別這些矩形單元并對(duì)其進(jìn)行EI積分是一件非常耗時(shí)的工作。
為此,Cheng Shixin等[20]提出了一種動(dòng)態(tài)的EHVI值計(jì)算方式,通過(guò)對(duì)多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)的對(duì)比測(cè)試結(jié)果分析,相比其基本型CDMOPSO優(yōu)化算法,結(jié)合動(dòng)態(tài)超體積期望改善的優(yōu)化算法能在大幅度減少調(diào)用真實(shí)函數(shù)次數(shù)的情況下保持計(jì)算精度,極大地提高了優(yōu)化效率。本文所使用的加點(diǎn)準(zhǔn)則就是基于此動(dòng)態(tài)計(jì)算方法的EHVI加點(diǎn)準(zhǔn)則。
為了克服罰函數(shù)系數(shù)設(shè)定難的問(wèn)題,優(yōu)化算法中采用不可行度(Infeasibility Degree,簡(jiǎn)稱(chēng)IFD)法來(lái)處理優(yōu)化問(wèn)題中的約束[21],當(dāng)一個(gè)粒子處在不可行域內(nèi)時(shí),IFD值可以表示為粒子與可行域邊界的接近程度,則定義第i個(gè)粒子的不可行度值為
(8)
式中:γ為等式約束的容限區(qū)間,γ≥0。
如果一個(gè)粒子位于可行域內(nèi),則它的IFD值為0,這種粒子稱(chēng)為可行粒子?;诓豢尚卸群蚉areto優(yōu)勝比較的粒子選擇機(jī)制是:①如果一個(gè)粒子可行,而另一個(gè)粒子不可行,那么選擇可行粒子;②如果兩個(gè)粒子都不可行,則選擇IFD值較小的那個(gè)粒子;③如果兩個(gè)粒子都可行,執(zhí)行Pareto優(yōu)勝比較,選擇非支配粒子。
基于式(8)將每個(gè)粒子的近似不可行度改寫(xiě)為
(9)
區(qū)別于傳統(tǒng)的尋找當(dāng)前Kriging代理模型下的最大EHVI值的子優(yōu)化過(guò)程,本文計(jì)算當(dāng)前種群中所有個(gè)體的EHVI值并對(duì)它們進(jìn)行降序排列,選取前幾個(gè)個(gè)體進(jìn)行真實(shí)函數(shù)評(píng)估并加入樣本集,用于更新外部非支配解檔案,引導(dǎo)ASMOPSO中個(gè)體的移動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中Kriging代理模型只是作為提供未觀測(cè)點(diǎn)的均值和方差的工具,用于計(jì)算EHVI值,代理模型的精度不是首要考慮的因素。
綜上,結(jié)合多目標(biāo)粒子群算法、Kriging代理模型、EHVI加點(diǎn)形成的高效多目標(biāo)優(yōu)化算法(EHVIMOPSO)的流程如圖4所示。
圖4 EHVIMOPSO流程圖Fig.4 Flow chart of EHVIMOPSO
使用飛翼無(wú)人機(jī)作為初始外形,如圖5所示,以翼面為研究對(duì)象,以阻力和RCS(Radar Cross Section)為優(yōu)化目標(biāo),約束為升力系數(shù)不小于原始翼型和俯仰力矩系數(shù)絕對(duì)值不減小。設(shè)計(jì)點(diǎn)氣動(dòng)計(jì)算狀態(tài)為:Ma=0.8,α=2.0°,Re=2.78×107。
圖5 飛翼布局無(wú)人機(jī)幾何外形Fig.5 Geometry of flywing UAV
由此可得優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為
(10)
式中:X為設(shè)計(jì)變量向量;CD為阻力系數(shù);ARCS為RCS均值;CL為升力系數(shù);CM為力矩系數(shù);上標(biāo)*表示初始翼型的計(jì)算值。
流體計(jì)算方面,流場(chǎng)求解基于三維非定常雷諾平均N-S方程,湍流模型采用k-ωSST模型,物面邊界采用無(wú)滑移邊界條件,遠(yuǎn)場(chǎng)采用壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件。
本文使用半模計(jì)算,采用由ANSYS ICEM CFD軟件生成的空間六面體網(wǎng)格對(duì)流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行離散,網(wǎng)格數(shù)量為165萬(wàn),計(jì)算網(wǎng)格如圖6所示。在優(yōu)化設(shè)計(jì)循環(huán)中,使用該軟件自帶的腳本功能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)[21]。
電磁隱身特性求解以RCS為衡量標(biāo)準(zhǔn),它描述了物體因被電磁波照射而向各個(gè)方向散射,被雷達(dá)捕捉的雷達(dá)回波強(qiáng)度及其電磁特性。在計(jì)算目標(biāo)RCS的過(guò)程中,需要平衡計(jì)算效率與計(jì)算精度。由于不同的計(jì)算方法對(duì)于不同尺寸的目標(biāo)具有不同的適應(yīng)性,在選擇計(jì)算方法時(shí)需要考慮目標(biāo)的電尺寸大小。
圖6 計(jì)算網(wǎng)格Fig.6 Computational grid
綜合考慮,本文選用大面元物理光學(xué)法LEPO(Large Element PO)配合一致性幾何繞射理論 (UTD)計(jì)算邊緣繞射場(chǎng)。計(jì)算狀態(tài)為單站,極化方式為水平極化,雷達(dá)頻率選擇10 GHz。采用半模計(jì)算,計(jì)算范圍(θ)為0°~180°,步長(zhǎng)為1°。RCS計(jì)算示意圖如圖7所示。
圖7 RCS計(jì)算示意Fig.7 Diagram of RCS calculation
在優(yōu)化設(shè)計(jì)中,采用空間變形能力較強(qiáng)的FFD(Free Form Deformation)自由曲面變形法[22]作為參數(shù)化方法。該方法最早由T.W.Sederberg和S.R.Parry提出,是一種針對(duì)三維可變形物體的有效建模工具。其基本方法是通過(guò)構(gòu)建并操縱空間三維框架與被操縱面的映射關(guān)系,通過(guò)改變空間三維框架來(lái)改變被操縱面的形狀。由于此方法能夠適用于非常復(fù)雜的外形控制且模擬精度很高,在飛行器三維參數(shù)化中有較好的應(yīng)用。
飛翼優(yōu)化模型中的FFD參數(shù)化[23]空間控制點(diǎn)為翼面上下各25個(gè)控制點(diǎn)(如圖8(a)所示),在坐標(biāo)系中,x、y、z三個(gè)方向上布置的控制點(diǎn)數(shù)為(5,5,2),由于控制變量明顯偏多,考慮在外形優(yōu)化中將整個(gè)變形框外框固定不變,選擇上下翼面中心位置的9個(gè)點(diǎn)(如圖8(b)所示),一共18個(gè)點(diǎn),坐標(biāo)系中表示在x、y、z方向上的點(diǎn)數(shù)為(3,3,2),變形方向限定為僅在z方向上。為了不讓變形過(guò)于劇烈,變形范圍設(shè)定在±0.05之內(nèi)。最后控制點(diǎn)一共為3×3×2=18個(gè)。
(b) FFD參數(shù)化翼面控制點(diǎn)示意圖圖8 翼面FFD參數(shù)化控制點(diǎn)Fig.8 Parameterized control point of airfoil FFD
在FFD參數(shù)化后,通過(guò)曲面差值生成新的飛翼翼面。參數(shù)化結(jié)果如表1所示,可以看出:FFD參數(shù)化后的代理模型與原始外形的翼面力學(xué)特性幾乎完全吻合,隱身性能存在0.3%的誤差,符合計(jì)算中的誤差范圍,故認(rèn)為該參數(shù)化方法能夠精確表達(dá)原始模型的氣動(dòng)外形。
表1 參數(shù)化結(jié)果比較Table 1 Comparison of parametric results
使用最優(yōu)拉丁超立方抽樣(Optimal Latin Hypercube Sampling,簡(jiǎn)稱(chēng)OLHS)[24]生成40個(gè)初始樣本點(diǎn),建立初始代理模型并通過(guò)EHVIMOPSO多目標(biāo)優(yōu)化算法搜索Pareto前沿。其中粒子群種群規(guī)模為200,外部檔案大小為50;慣性系數(shù)從0.75逐漸減小到0.25;認(rèn)知加速系數(shù)和社會(huì)加速系數(shù)c1=c2=2.0;穩(wěn)定系數(shù)α的變化范圍為1.0~2.0。迭代步數(shù)為60步,每代使用EHVI值選擇3個(gè)最穩(wěn)定的個(gè)體加入到樣本空間中,并更新代理模型。優(yōu)化結(jié)果如圖9和表2所示。
圖9 Pareto前沿Fig.9 Forward position of Pareto 表2 Pareto前沿?cái)?shù)值統(tǒng)計(jì)Table 2 Frontier point of Pareto
序號(hào)CDARCS/m210.008 5151.065 95120.008 5471.053 66030.008 5221.061 07740.008 5251.059 75450.008 5361.053 8496(A點(diǎn))0.008 5321.055 57170.008 5271.057 25880.008 5301.056 98090.008 5421.053 797100.008 5451.053 757
從圖9和表2可以看出:Pareto解分布較為均勻,但是范圍還不夠?qū)拸V。
優(yōu)化前后數(shù)據(jù)比較如表3所示。由于此飛翼布局無(wú)人機(jī)為低可探測(cè)低阻外形,其原始外形的氣動(dòng)及隱身性能非常優(yōu)秀(如表1所示),因此在此優(yōu)化算法下的氣動(dòng)優(yōu)化效果沒(méi)有特別明顯的提升。
表3 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)比較Table 3 Data comparison before and after optimization
在平衡減阻與降低RCS兩者情況下選擇如圖9所示的ParetoA與原始構(gòu)型進(jìn)行比較分析。
從表2可以看出:在ParetoA的構(gòu)型下阻力減少了0.34%,RCS縮減了4.41%。
在氣動(dòng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比方面,為了更好地說(shuō)明,選取Y分別為1.0、2.5、4.5三個(gè)展向站位的翼型截面進(jìn)行對(duì)比分析,如圖10所示。優(yōu)化后的翼型剖面形狀、壓力系數(shù)與原始外形對(duì)比結(jié)果如圖11~圖13所示。
圖10 翼面截取示意Fig.10 Sketch of wing interception
(a) 翼型對(duì)比
(b) 壓力系數(shù)對(duì)比圖11 對(duì)比結(jié)果(Y=1.0)Fig.11 Contrast result(Y=1.0)
(a) 翼型對(duì)比
(b) 壓力系數(shù)對(duì)比圖12 對(duì)比結(jié)果(Y=2.5)Fig.12 Contrast result(Y=2.5)
(a) 翼型對(duì)比
(b) 壓力系數(shù)對(duì)比圖13 對(duì)比結(jié)果(Y=4.5)Fig.13 Contrast result(Y=4.5)
從圖11~圖13可以看出:優(yōu)化構(gòu)型三個(gè)站位上的翼型剖面與原始翼型相比,在上翼面前部與下翼面后部都有小量縮減,翼面最大厚度向后移動(dòng)且最大厚度值都減小、變薄,其中Y=2.5、Y=4.5兩個(gè)站位翼型變薄的情況非常明顯;翼型的前后緣位置壓力分布較陡峭,中段壓力系數(shù)曲線分布較為平緩,優(yōu)化后構(gòu)型仍能在此基礎(chǔ)上有一定程度的減緩翼面激波強(qiáng)度;Y=1.0站位,后緣附近有一個(gè)向下的加載力區(qū)域,使的整個(gè)優(yōu)化構(gòu)型的低頭力矩減小,提高了無(wú)人機(jī)的可操控性。
RCS優(yōu)化結(jié)果對(duì)比如圖14所示,可以看出:在入射角為57°和140°處有峰值存在,57°時(shí)的峰值為機(jī)翼前緣的電磁散射相干疊加而形成的,140°處的峰值為機(jī)翼端面造成的鏡面反射;RCS縮減部位主要集中在60°~90°范圍內(nèi),這是由于本文選擇的翼面控制點(diǎn)在翼面中部位置,對(duì)于前緣和端面形成的電磁散射無(wú)法做到有效縮減。
圖14 優(yōu)化結(jié)果A與原始外形的RCS計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.14 Comparison of RCS calculation results between Pareto A and original profile
本文使用計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算電磁學(xué)等數(shù)值模擬手段計(jì)算飛翼布局無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)和隱身性能,結(jié)合一種基于EHVI加點(diǎn)的高效多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法使用FFD法進(jìn)行參數(shù)化表達(dá),對(duì)一種低阻、低可探測(cè)飛翼布局無(wú)人機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)隱身多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在200次調(diào)用目標(biāo)函數(shù)的情況下,降低了無(wú)人機(jī)的阻力和雷達(dá)反射截面積,表明本文提出的高效優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在解決類(lèi)似飛翼式布局無(wú)人機(jī)氣動(dòng)隱身多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)等昂貴優(yōu)化問(wèn)題時(shí)具有較大的應(yīng)用潛力。