中短程客机总体参数敏感性分析

 总体参数敏感性分析是确定客机总体参数的主要依据之一。以中短程客机作为背景机型,在开发了客机总体设计综合分析程序的基础上,首先应用优化方法确定出初步的总体参数,然后以此参数为基准点,着重分析总体参数对客机性能的影响,包括:机翼面积对质量和直接运营成本(DOC)的影响;组合参数(机翼面积与展弦比、机翼面积与后掠角)对质量的影响;发动机推力和机翼小翼的选装对起降性能和设计燃油质量的影响;组合参数(机翼面积与襟翼类型)对起降性能的影响;机身加长对起降性能和设计燃油质量的影响。最后将总体参数敏感性分析的结果以趋势图和地毯图的形式给出,可直观地洞察总体参数对性能指标的影响,为总体参数的调整和最终确定提供依据。     

喷气客机总体参数优化计算环境的开发

为了满足喷气客机多方面的设计要求和目标,开发了总体参数优化计算环境.基于工程算法,研究了几何、动力、重量、气动、性能、操稳和成本的分析模型,并开发了相应的计算模块;通过集成各专业分析模块,建立了喷气客机总体综合分析模型;在探讨了喷气客机总体参数优化模型的基础上,应用iSIGHT平台集成喷气客机总体综合分析模型,建立了喷...     

基于深度神经网络的客机总体设计参数敏感性分析

飞机总体主要设计参数敏感性分析揭示了总体主要设计参数对飞机特性指标的影响,有助于总体设计方案的决策。针对宽体客机总体主要设计参数敏感性问题,根据其总体主要设计参数和特性指标的特点,以及多学科间的耦合关系,建立了深度神经网络模型。该深度神经网络模型以客机总体主要设计参数为输入,对特性指标进行预测。在深度神经网络模型中,设置了多个输入层、多个输出层以及多个分块的隐藏层,从而模拟客机总体主要设计参数对特性指标的影响以及不同特性指标之间的相互作用。测试结果表明,与传统代理模型相比,深度神经网络模型对客机特性指标的预测精度更高,多参数适应性更好。利用该深度神经网络模型对客机总体主要设计参数进行敏感性分析。分析结果表明,机翼1/4弦线后掠角在30°~31.5°时,有利于减少最大起飞重量和起飞平衡场长;发动机海平面最大静推力和机翼面积对客机直接使用成本、最大起飞重量等特性指标的影响最为显著。     

考虑不确定性的飞机总体参数优化方法

由于在各种设计问题包括飞机概念设计中都存在一定的不确定性,因此在总体参数优化时有必要考虑这种不确定性。以大型客机总体参数优化设计为例,定义了考虑不确定性的飞机总体参数优化问题,该问题与传统飞机总体参数优化的区别是要进行不确定性分析。而不确定性分析的计算量过大,为此提出了一种渐进代理模型方法来解决这一难题。在建立代理模型时,通过连续成批地在设计空间的全局和局部均加入新样本点,不断提高代理模型的全局拟合精度,直至获得满意的代理模型为止。然后在优化过程中使用计算量小的代理模型。大型客机总体参数优化问题中含有5个设计变量,目标函数为起飞重量最轻,并需满足4个性能约束。考虑了不确定性后,不仅使目标值（起飞重量）对总体参数变化的敏感度有所减小,而且满足约束（设计要求）概率显著提高。     

用于喷气客机概念设计的气动特性分析程序

针对喷气客机概念设计需求,在确定了升阻特性的估算方法后,应用MATLAB开发气动特性分析程序。以典型喷气客机为例,验证了气动分析模型和计算程序的精度。所开发气动特性估算程序能快速对喷气客机初步方案气动特性进行评估。设计人员只需通过用户界面给出飞机外形参数和飞行条件,就可快速获得巡航构型曲线、升阻比曲线、巡航效率曲线、抖振边界曲线,以及起降构型升力线和升阻比曲线。     

基于全寿命周期成本的民用飞机总体参数优化

针对民用飞机给出了其全寿命周期成本的计算模型,并提出了以该模型为目标的面向民用飞机总体参数的优化方法。同时,在Matlab开发平台上,开发出了该方法所需的遗传算法优化程序。为检验该方法的有效性,本文在历史数据的统计分析和处理的基础上,基于回归分析给出了相关公务机总体参数的估算公式,并以该类飞机为案例进行了计算。计算结果表明,优化方法可行,结果有一定的实际意义,可为飞机总体设计参数的选取提供一种依据。     

高马赫数临近空间无人机主要总体参数设计方法

针对高马赫数临近空间无人机(HSUAV)概念设计的需求,研究一种飞行器主要总体参数设计的改进方法,目的是提高主要总体参数设计的可信度。在现有的约束分析和任务分析方法基础上,通过融入适用性更广、预测精度更高的气动模型和推进系统模型,建立了一种迭代的设计计算流程。应用参数化建模方法建立了气动数值分析模型,应用发动机热力循环分析建立了推进系统模型。应用本文方法完成了高马赫数临近空间无人机主要总体参数设计计算,结果表明:经过若干次迭代设计计算,主要总体参数值收敛;由传统方法确定的主要总体参数与本文方法的结果有明显差别。由于本文方法中使用了可信度更高的气动和推进系统模型,根据本文方法确定的主要总体参数具有更高的可信度。     

支线客机和涡扇发动机的总体参数统计分析

为设计某大型支线客机总体方案,在自行设计支线客机总体参数数据库的基础上,应用统计方法对支线客机总体参数和涡扇发动机总体参数进行分析,获得了一些有用的统计关系式,包括使用空重和最大起飞重量、后掠角与展弦比、进近速度与着陆场长等飞机总体参数之间的统计关系式和起飞推力与发动机风扇直径、起飞推力与发动机净重、起飞推力与短舱长度等涡扇发动机参数之间的统计关系式。这些统计结果为大型客机方案设计提供了一定的参考。     

基于多目标遗传算法的大型客机总体参数优化

在大型客机总体参数设计的基础上,提出总体参数优化的问题。建立多目标优化的数学模型,采用多目标遗传算法对大型客机的总体参数进行优化设计。考虑只对一个目标函数进行优化的单目标优化问题,设计程序进行单目标优化的计算。比较单目标优化和多目标优化的结果,分析两种优化方法的差异。算例表明,采用单目标优化在提升优化目标性能的同时会牺牲其他目标函数的总体性能,而多目标优化能兼顾各个目标函数的需求,并使整体达到最优。     

大型客机动态热载荷仿真计算软件

热载荷的数值是环控系统乃至整机设计过程中最原始的输入参数,通过对大型客机飞行包线、环境条件等外部因素,以及机舱布局、绝热方式等结构因素的分析和评估,建立大型客机座舱动态热载荷的计算方法与验证技术,在此基础上,开发具有工程实用价值的大型客机座舱动态热载荷仿真计算平台,为环控系统的方案选择、参数优化及控制规律研究提供依据。     

基于参数辨识原理的飞机参数分析及算法研究

提出一种在飞机概念设计中基于参数辨识理论的设计参数分析方法。在给定的设计重量和任务剖面要求下,利用基于物理的运动方程和动力学方程模型辨识出飞机气动力参数,并在总体性能评估的基础上进行设计参数分析,给气动设计提供了设计参考;在辨识过程中针对参数可行域离散度很高使得很难收敛到Pareto解的问题,提出了将神经网络预测模型融合到遗传操作过程,使得尽量在可行域内搜索。最后通过对某客机进行算例分析,表明基于辨识理论的参数分析方法和改进的算法是合理和可行的。与一般经验公式方法相比,该方法对布局类型的限制较小,在满足概念设计参数分析准确度要求的条件下能够为下一步的气动设计提供设计指标。     

基于知识的可扩展飞机概念设计环境原型研究(英文)

由于飞机概念设计阶段所涉及任务的高度复杂性和多学科集成性,知识和经验成为设计师开展设计任务的基础。即使针对同一个设计任务,不同的设计师仍需要适合他们自己的设计知识、方法和工具来满足其个体要求。针对以上需求本文提出了一种基于知识的可扩展的构建飞机概念设计系统的方法。基于这种方法建立了具有开放式框架基于知识的飞机概念设计环境KEACDE。设计师应用此环境可以封装集成所需的设计分析组件并构建针对不同需求的飞机概念设计系统。定义了KEACDE的系统框架,知识组件封装方法和可扩展基础数据库建立方法。应用KEACDE实现了一个民用飞机概念设计系统的构建。最后给出了民用飞机设计实例以说明系统的可行性。     

NeoCASS: An integrated tool for structural sizing, aeroelastic analysis and MDO at conceptual design level

This paper presents a design framework called NeoCASS (Next generation Conceptual Aero-Structural Sizing Suite), developed at the Department of Aerospace Engineering of Politecnico di Milano in the frame of SimSAC (Simulating Aircraft Stability And Control Characteristics for Use in Conceptual Design) project, funded by EU in the context of 6th Framework Program. It enables the creation of efficient low-order, medium fidelity models particularly suitable for structural sizing, aeroelastic analysis and optimization at the conceptual design level.The whole methodology is based on the integration of geometry construction, aerodynamic and structural analysis codes that combine depictive, computational, analytical, and semi-empirical methods, validated in an aircraft design environment.The work here presented aims at including the airframe and its effect from the very beginning of the conceptual design. This aspect is usually not considered in this early phase. In most cases, very simplified formulas and datasheets are adopted, which implies a low level of detail and a poor accuracy. Through NeoCASS, a preliminar distribution of stiffness and inertias can be determined, given the initial layout. The adoption of empirical formulas is reduced to the minimum in favor of simple numerical methods. This allows to consider the aeroelastic behavior and performances, as well, improving the accuracy of the design tools during the iterative steps and lowering the development costs and reducing the time to market.The result achieved is a design tool based on computational methods for the aero-structural analysis and Multi-Disciplinary Optimization (MDO) of aircraft layouts at the conceptual design stage. A complete case study regarding the TransoniCRuiser aircraft, including validation of the results obtained using industrial standard tools like MSC/NASTRAN and a CFD (Computational Fluid Dynamics) code, is reported. As it will be shown, it is possible to improve the degree of fidelity of the conceptual design process by including tailored numerical tools, overcoming the lacks of statistical methods. The result is a method minimally dependent on datasheets, featuring a good compromise between accuracy and costs.     

Material optimization: bridging the gap between conceptual and preliminary design

This paper presents a collection of tools for conceptual structure design. The underlying model is the ‘free material optimization’ problem. This problem gives the best physically attainable material and is considered as a generalization of the sizing/shape optimization problem. The method is supported by powerful optimization and numerical techniques, which allow us to work with bodies of complex initial design and with very fine finite-element meshes. The computed results are realized by composite materials. We consider a particular class of fibre-reinforced composite materials, manufactured by the so-called tape-laying technology. In the post-processing phase, stress/strain-trajectories are plotted which indicate how to place these tapes; they also show the proposed thickness of the tapes. Several examples demonstrate the efficiency of this approach to conceptual design of engineering structures.     

民机概念设计阶段性能分析程序快速开发方法

为了在概念设计阶段快速准确地分析民航客机性能,提出一种基于MATLAB/SIMULINK 联合仿真的性能分析程序快速开发方法。从数据库文件中读取已有的气动、重量、推进、飞行剖面等数据,在SIMULINK中分别求解已建立的各飞行阶段运动微分方程,将结果保存至原数据库。整个求解及前后处理过程由MATLAB脚本控制。以波音737-800型客机性能分析为例,验证了该方法的有效性。与经验公式法相比,本文算法更为准确,流程更加清晰,不需要编写大量代码,实现与维护更加简便,适用于民机概念设计阶段性能分析程序的快速开发。     

民用飞机气动布局发展演变及其技术影响因素

在民用飞机气动布局发展演变的历程中,技术因素是根本推动力。为了研究未来民机的发展方向、技术需求以及应对策略,在回顾民机气动布局发展历程的基础上,梳理了在现代民机气动布局形成与演变过程中有着重要影响的4大类技术因素:航空发动机、气动设计、结构设计、飞行控制,并且揭示了这些技术因素在民机发展及其气动布局演变中所发挥的作用。结合未来航空运输市场出现的新需求,分析了未来民机的主要发展方向,重点分析了未来非常规布局民机可能采用的翼身融合、双气泡机身、支撑翼以及联结翼等气动布局形式。最后探讨了新技术条件下民用飞机发展在技术方面的需求和挑战,以及未来民用飞机总体设计的技术策略,明确了多学科设计优化是满足未来民机总体设计需求的有效技术途径。     

Process of establishing design requirements and selecting alternative configurations for conceptual design of a VLA

In this study, a process for establishing design requirements and selecting alternative con-figurations for the conceptual phase of aircraft design has been proposed. The proposed process uses system-engineering-based requirement-analysis techniques such as objective tree, analytic hier-archy process, and quality function deployment to establish logical and quantitative standards. Moreover, in order to perform a logical selection of alternative aircraft configurations, it uses advanced decision-making methods such as morphological matrix and technique for order prefer-ence by similarity to the ideal solution. In addition, a preliminary sizing tool has been developed to check the feasibility of the established performance requirements and to evaluate the flight perfor-mance of the selected configurations. The present process has been applied for a two-seater very light aircraft (VLA), resulting in a set of tentative design requirements and two families of VLA configurations: a high-wing configuration and a low-wing configuration. The resulting set of design requirements consists of three categories: customer requirements, certification requirements, and performance requirements. The performance requirements include two mission requirements for the flight range and the endurance by reflecting the customer requirements. The flight performances of the two configuration families were evaluated using the sizing tool developed and the low-wing configuration with conventional tails was selected as the best baseline configuration for the VLA.     

翼身融合民机总体气动技术研究进展与展望

翼身融合（BWB）布局作为下一代亚声速民机主流方案已得到共识，研究步伐正在加快，进入工程应用指日可待。在回顾国内外BWB民机发展历程的基础上，简要阐述了飞翼布局（FW）和BWB布局的差异，明确了BWB概念特征及应用范围。聚焦BWB飞机总体气动设计中的技术挑战和对策，重点论述分析了BWB布局技术瓶颈及设计思想演化，新型结构与重量估算、适航符合性等总体设计问题，气动布局设计原则、高-低速性能协调等气动布局设计问题，飞-发干扰与一体化设计、新型发动机技术应用等飞机-发动机综合集成设计问题，降噪技术及其衍生的设计冲突、考虑噪声指标的总体设计策略等问题。并从技术进展和工程可实现性角度，展望了BWB民机的发展趋势。