基于MODELCENTER的EPUAV系统模型建立与参数优化

　　引 言

　　小型电动无人机(Electric Powered Unmanned AirVehicles，简称 EPUAV)由于其应用范围广、制作成本低，近些年来已经引起人们的重视。而传统的飞机设计方法采用串行设计模式，各学科间存在着大量的耦合关系，设计过程中不可避免地会遇到很多反复设计的问题，往往修改了一个参数，却要牵一发而动全身，造成设计周期加长，开发成本提高，容易失去整体最优解。

         针对传统设计方法的缺点，近年来美国等发达国家提出了 一 种 新 的 飞 行 器 设 计 方 法 ： 多 学 科 设 计 优 化(Multidisciplinary Design Optimization，简称 MDO)。其主要思想是增加概念设计在整个设计过程中的比例，在飞行器设计的各个阶段力求各学科的平衡，充分考虑各学科间的互相影响和耦合作用，应用有效的设计/优化策略和分布式计算机网络系统，组织和管理整个系统的设计过程，充分利用各个学科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。国际相关领域的知名公司都将 MDO 思想引入到产品的设计之中，比如：Boeing 公司对旋翼飞行器旋翼的设计与优化、Lockheed Martin 公司对 F-22 飞机结构/气动弹性的设计、GE 公司对涡喷发动机转盘设计[1]。

　　本文的主要工作是基于多学科协同设计集成优化平台ModelCenter，建立了 EPUAV 的系统模型和优化模型，以遗传算法作为优化器，结合算例，给出优化结果，并进行分析。

　　1 ModelCenter 介绍

　　ModelCenter 由美国 Phoenix Integration 公司开发，是一种功能强大、灵活易用的分布式建模与优化分析的软件框架，是多学科协同设计集成优化平台。基于该环境，用户可以充分利ModelCenter提供的建模、仿真和优化计算功能，进行复杂系统的产品设计。通过集成和优化全系统设计模块，减少设计失误，快速提高产品的设计质量。

        通用 ModelCenter，设计人员容易构建界面简单、连接一系列应用组件的产品或系统设计过程，获得企业订制的系统或产品集成模型，数字化的设计流程和对整个产品信息总体控制能力。此外，ModelCenter 还提供了参数分析研究、实验设计和概率分析等功能，其功能结构图见图 1。美国的NASA、洛克希德 马丁公司和波音公司等已将 ModelCenter应用于其产品的研发之中。

　　2 小型电动无人机系统建模

　　根据任务需求不同，飞机设计的侧重点略有不同。经大量的相关资料统计，小型无人机多采用正常式布局，其系统模型建立的主要内容包括如何确定飞机的几何尺寸、气动外形、发动机和起飞重量等参数，来使得飞机获得最大的有效载荷和良好的操稳性。因此，本文将小型电动无人机的系统模型分为几何外形模型、气动参数计算模型、质量计算模型、发动机模型和操稳性模型五个子系统来研究，其设计结构矩阵如图 2 所示。