基于新型多可信度多项式混沌-Kriging模型的高维全局气动优化设计方法
批准号:
12102489
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
赵欢
依托单位:
学科分类:
空气动力学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
赵欢
中文摘要
基于代理模型的高效全局优化设计方法已经成为满足先进飞行器气动设计要求最重要的途径之一。然而随着飞行器设计指标不断提升,基于代理模型的精细化气动优化方法需要利用更高可信度的CFD模拟和更多的独立设计变量,面临严峻的维数灾难挑战,严重限制了其在飞行器复杂气动设计中的应用。基于此,申请人前期提出了自适应多可信度多项式混沌-Kriging模型,较分层Kriging等显著提升了建模效率和泛化能力。项目拟结合偏最小二乘和基于数据驱动的多层多可信度多项式混沌-Kriging发展一种新型的高维多可信度代理模型。新方法将不仅显著提高对复杂高非线性模型响应的泛化能力,还能有效缓解代理模型面临的维数灾难难题。同时,项目拟发展一种基于该新型模型的全局并行加点优化方法,进一步提升高维优化效率。基于这些研究,项目将突破代理优化方法遭遇的瓶颈,建立高效的高维全局精细化设计理论和方法,为发展先进飞行器设计方法奠定基础。
英文摘要
Surrogate-based efficient global design optimization method has become one of the most important techniques to meet the advanced design requirements of aircraft. However, with enhanced design indices, surrogate-based global aerodynamic optimization method is required using the higher-fidelity Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation and more independent design variables, which is faced with the serious challenges of the curse of dimensionality, and severely limits its application in the complex aerodynamic design of the aircraft. Based on these findings, a novel adaptive multi-fidelity polynomial chaos-Kriging (AMF-PCK) surrogate model was proposed in the preceding research of the applicant, which significantly improves the modeling efficiency and the generation ability compared with the popular hierarchical Kriging and so on. This project, by combining the partial least squares (PLS) analysis and a data-driven multi-level multi-fidelity polynomial chaos-Kriging (MLMF-PCK) model, aims to develop a novel high-dimensional multi-fidelity surrogate modeling approach. This method will not only significantly improve the generation ability of surrogating the complex highly-nonlinear and/or high-order model’s response and landscape, but also efficiently alleviate the problem of the curse of dimensionality encountered by the surrogate model. Meantime, this project plans to develop a parallel MLMF-PCK-based global infill-optimization method, further improving the efficiency of the high-dimensional aircraft design optimization. Based on these proposed studies, the project will break through the bottleneck of the surrogate-based optimization method, establish the high-dimensional global optimization design theory and method, and lay the foundation for the development of the advanced aircraft design method.
基于代理模型的气动优化方法由于能够实现高效全局优化以及处理多目标问题的优势,已经成为满足先进飞行器气动设计要求最重要的途径之一。然而随着飞行器气动设计日益精细化,设计要求更多且更加严苛,设计变量规模越来越大,代理优化方法面临严峻的维数灾难挑战。针对这一难题,项目将“降维模型”和“多层低可信度分析”分别与多项式混沌-Kriging(PCK)模型相结合,分别提出了一种全新的监督式核主成分分析-多项式混沌-Kriging(SKPCA-PCK)高维代理模型和数据驱动的多层多可信度多项式混沌-Kriging(MLMF-PCK)代理模型。在此基础上,结合两种代理模型的特点发展了“自适应设计空间优化方法”、“变可信度伪期望改进矩阵并行加点算法”以及“多目标降维算法”,建立了基于两种新模型的高维全局气动优化框架和高效气动稳健设计框架,完成了高维全局优化设计和高效全局稳健优化设计的理论和方法的系统研究,并将发展方法在飞行器复杂气动和气动/隐身多学科优化设计中进行了验证,最后应用到了国内主机所多个重要型号项目中。主要研究成果包括:①提出了一种全新的数据驱动的全自适应前向-后向选择的稀疏多项式混沌重构方法,相对于最小角回归算法不确定量化效率和稳定性更高;②提出了一种全新的SKPCA-PCK代理模型,相对于PCK模型在100维以上的气动问题中建模精度和优化效率大幅提高;③提出了一种全新的数据驱动的MLMF-PCK代理模型,可用于任意多层可信度数据,在高阶/高非线性问题中的建模精度和优化效率相对于分层Kriging等显著提升;④提出了一种基于SKPCA-PCK的自适应设计空间优化方法,解决了高维大尺度空间全局优化的难题,优化能力显著提升;⑤提出了一种基于MLMF-PCK模型的变可信度伪期望改进矩阵并行加点算法,显著改进了当前多目标优化算法的收敛性;⑥提出了一种基于最大方差展开的多目标降维算法,解决了多目标复杂约束全局优化的难题;⑦提出了一种多可信度自适应抽样方法,即留一交叉验证- Voronoi-最大最小比例距离方法,显著改进了多可信度代理模型的建模效率和全局近似误差。
国内基金
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