题目：变复杂度进化设计过程及涡轮叶片气动方案优化

随着现代产品设计方法学的发展和成熟，以及计算机相关技术的进步，复杂工程产品系统的设计有了新的方法和模式。目前各种优化算法和多学科优化方法发展得比较成熟，但具体应用到像涡轮叶片这样的复杂产品上还有一定的困难，主要是因为航空动力类产品系统的设计优化有自己的特点：仿真分析过程非常复杂，存在多个耦合的分析过程；其主要的分析过程如流场计算中存在大量的假设，模型假设和真实的物理模型之间存在不确定的误差，因此分析的结果需要大量的人工修正和判别；优化过程需要多次反复迭代分析，高昂的计算成本成为其分析优化方法运用的瓶颈。现有的研究主要关注于局部的具体的物理计算、优化过程中的过程集成以及常规的优化方法的运用，通常假定物理过程的计算分析是准确可靠的，而且计算资源成本是可以接受的，这些假设与实际的设计过程有较大差距，这就需要从整个设计过程考虑设计过程的优化以平衡计算精度和计算资源成本之间的矛盾，并且需要在集成的过程中考虑计算机的计算和专家经验的充分的整合。基于上述原因，本论文提出一种面向复杂产品的综合优化设计方法，即变复杂度进化设计方法，将优化的理念运用到复杂产品设计的各个环节，从设计过程结构的优化到仿真模型的优化直到产品设计方案的优化，在设计优化的不同阶段采用不同复杂度的模型。最优设计方案的获取过程是一个渐进式的过程，随着设计过程的进行，设计方案逐步精化，逐步接近和达到设计需求。同时在设计优化的过程中加上专家经验对设计优化过程的干预，充分发挥计算机和人类思维的优势，以达到降低计算资源消耗，缩短设计周期，设计方案在约束范围内达到最优。本论文围绕变复杂度进化设计的模型、方法、原理、应用与验证进行了研究，并在涡轮叶片气动方案优化应用的过程中总结了涡轮叶片气动方案优化的一般规范。主要研究内容涉及以下几个方面：1．变复杂度进化设计方法的模型与原理：扩展了变复杂度建模方法的运用，在设计过程的不同阶段，选择不同精度的分析模型，不同强度的约束，使产品设计方案的产生过程成为一个渐进的过程，逐步满足约束，逐步逼近最优设计方案。研究了基于演化的产品设计方法及相应的演化算法，使得产品设计方案在一定算法引导下逐步满足约束和设计需求，逐步逼近最优的过程。研究了进化设计过程中的约束处理，包括复杂的非设计点约束，同时对约束处理原理进行了分析、归纳。2．变复杂度设计过程的优化：以设计任务单元作为设计过程的基本构成单位，建立了复杂设计过程的符号描述体系，分析了变复杂度设计过程的基本模式，研究了变精度分析模型的模型误差在设计过程中积累、传播的机理，对设计过程的计算资源消耗和计算精度建立了可分析的模型，设计了相应的优化算法对变复杂度设计过程进行优化。3．人机结合的进化系统研究：研究了专家经验如何影响优化算法的搜索方向，考虑专家经验，研究了改进的人机结合的遗传算法和专家经验介入的产品演化原理，分析了人机结合演化系统的构成要素，用人工神经网络的方法构造了专家经验学习系统，并运用到进化设计系统中代替专家对设计方案的评估，以提高设计的效率和准确性。4．建立了完整的涡轮叶片方案设计优化集成系统，探索了涡轮叶片气动方案设计优化过程所需要的各种要素，提供一个优化方法和优化策略验证的平台，同时从中抽象出动力类复杂产品系统方案设计优化的一般的共性的问题。其主要内容包括：设计问题的参数化，各不同物理过程不同保真度自动化分析过程的建立，优化方法的选择，过程的集成等等。5．基于变复杂度进化设计方法，研究了各种优化策略在设计系统中的实现，包括设计参数中优化变量的选取、各子系统的优化顺序、不同精度的分析模型的选取与组合以及非设计点的考虑，并在涡轮叶片气动方案设计集成系统中的进行了实验研究，进而验证了本文提出的变复杂度进化设计方法的有效性和正确性。同时总结了基于现代计算机辅助设计技术的涡轮叶片气动方案设计优化的规范。