可应用于民机空气动力设计中的数值优化方法

目前民机成功设计的一个关键要素即在设计中有效地引入计算流体力学（CFD）的模拟方法和软件,特别是具有设计能力的方法和工具。本文概要地叙述了反设计、基于CFD低可信度和高可信度模型等数值优化方法的发展和应用于民机设计的历史和现状;简单地介绍了即将举行的空气动力优化设计计算系列研讨会;重点讨论了对可应用于民机设计的基于Navier-Stokes方程解算器的OPTIMAS的数值优化方法的要求及其构造方法,并以翼身组合体整流外形和翼身融合体（BWB）外形的算例表明其有效性,说明OPTIMAS可以成为民机日常设计的方法和工具之一。     

跨声速飞机高可信度多设计点多约束气动优化设计技术研究

本文目的是研究和开发工程实用的高可信度数值优化设计技术,并应用于先进跨声速飞机机翼的三维气动外形优化设计。本文综合应用了自由几何变形(FFD)几何外形参数化方法、弹簧比拟非结构网格变形方法、基于RANS方程的高可信度计算流体力学(CFD)分析方法、径向基函数(RBF)代理模型方法、粒子群寻优(PSO)方法等技术,分别对NASA CRM模型、航空工业设计的W2机翼模型展开了单设计点和多设计点的三维气动外形优化设计。通过对单设计点优化设计后的CRM翼身组合体、双设计点优化设计后的W2机翼模型气动外形进行详细的气动分析,发现优化后的CRM翼身组合体、W2机翼模型相对初始外形气动性能得到显著改进,证实了数值优化设计技术应用于先进跨声速飞机机翼三维气动外形设计的有效性。同时证实了开发的数值优化设计技术和工具的正确性和实用性。     

民机翼身整流影响分析与设计研究

针对某民机翼身组合体进行了翼身整流设计,以减弱机翼机身附面层之间的相互干扰,消除翼身结合处气流的分离,改善该民机的阻力性能。将翼身整流的多种设计方案(不同类型,不同安装位置,不同的几何尺寸等)配置到某民机翼身组合体模型上,用CFD方法对其流场进行粘性绕流数值模拟并对结果进行优化分析,得到了针对该民机减阻效果较好的翼身整流设计方案。     

自由曲面修形技术在民机翼身组合体上的应用

翼身结合处的整流在民机气动中有很重要的作用,需要设计合适的外形以调整机翼上表面的压力分布及翼身结合处的气流,达到提高大型民用客机翼身组合体气动性能的目的.基于CATIA的自由曲面修形技术,采用自由曲线B样条的参数化方法,综合考虑工程约束(起落架布局),对民机构型翼身结合处进行了整流设计,并采用求解N-S方程的方法计算样...     

基于当地流活塞理论的翼-身组合体飞行器大攻角超声速颤振分析

基于当地流活塞理论推导了旋成体机身和任意外形三维机翼非定常气动力计算公式,结合CFD数值仿真,将当地流活塞理论推广用于复杂外形飞行器全机大攻角超声速颤振计算。以翼-身组合体面对称外形飞行器为例,进行带攻角的超声速颤振计算,并与非定常气动力采用CFD全数值仿真求解得到的颤振计算结果比较,验证了本文方法的正确性和效率。     

亚声速翼身融合无人机概念外形参数优化

为了兼顾翼身融合（BWB）布局无人机（UAV）的气动、隐身和结构重量要求,应用优化方法研究了某亚声速翼身融合无人机概念方案的外形设计问题。外形优化设计流程包括全机参数化几何外形模型、气动分析、机翼根部弯矩计算、雷达散射截面（RCS）分析、代理模型的建立和外形参数优化计算。选择了三种不同优化目标研究翼身融合无人机外形优化问题：①未配平状态升阻比最大;②配平状态升阻比最大;③配平状态升阻比尽量大和机翼弯矩尽量小。通过优化结果的对比分析,揭示了配平约束和机翼弯矩目标对优化设计结果的影响。研究结果表明：计入配平约束能够有效提高配平升阻比;将配平状态升阻比尽量大和机翼根部弯矩尽量小作为优化目标能够获得合理的优化外形。     

基于PRSEUS结构的翼身融合布局后机身结构优化设计

针对翼身融合布局民机的非圆形截面机身结构承载特征，美国波音公司和美国国家航空航天局（NASA）联合提出了拉挤杆缝合高效一体化结构（PRSEUS），以提高翼身融合布局飞机机身结构的承载效率及稳定性性能。为了深入研究翼身融合布局后机身结构设计及PRSEUS结构在后机身上的应用，本文建立了基于PRSEUS结构的翼身融合布局后机身结构高保真度数值分析模型。筛选出了针对翼身融合布局后机身的5种典型载荷工况作为评估后机身结构强度和刚度的输入条件。借鉴结构区域划分技术，开展了基于PRSEUS结构的翼身融合布局后机身结构优化方法研究，完成了基于分块的PRSEUS结构后机身结构优化设计，保证了后机身结构强度和刚度性能，并进一步减轻了结构重量。     

民机的一种新型布局形式——翼身融合体飞机

 讨论了一种区别于机翼与圆柱机身的传统民机外形——翼身融合体（BWB）外形。从给定容积下减少浸润面积和摩擦阻力的考虑发展出了翼身融合体的概念。在满足系列设计约束条件下讨论了适于大型（800座）客机的翼身融合体的技术和商业上的可能性。概念设计研究表明,翼身融合体外形可获得比常规外形更好的性能。巡航升阻比可从传统外形的19提高至23。480座的BWB外形与同量级的传统外形（A380-700）相比,最大起飞重量可减少18%,每座位燃油消耗可减少32%,具有良好的环保性。通过气动载荷分布规律的反设计,翼型修型和三维优化设计等气动设计方法可以有效减阻和提高BWB的气动性能。由于BWB的高度融合性,讨论了多学科优化设计方法的重要性和有效性。BWB概念能够发展成BWB系列机,进一步提高巡航马赫数也是可能的。     

基于双eN方法的翼身组合体流动转捩自动判断

发展翼身组合体复杂外形流动转捩自动判断方法,对高亚声速民机自然层流（NLF）机翼设计具有重要意义。使用多块结构化网格和三维雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程求解器,耦合边界层方程求解和基于线性稳定性理论（LST）的完全双e^N方法,发展了一套可同时计及Tollmien-Schlichting波和横流不稳定性扰动诱导转捩的翼身组合体流动转捩自动判断方法。对DLR-F4翼身组合体绕流进行了转捩自动判断,将得到的转捩位置与试验结果进行比较,验证了所发展方法的正确性。使用上述方法对配置自然层流机翼的中短程民机翼身组合体外形进行了数值模拟,并将结果与单独机翼的转捩位置进行了对比,结果表明机身三维位移效应增强了自然层流后掠机翼边界层的横流不稳定性强度,导致翼根转捩位置提前至前缘区。     

翼身融合布局与传统布局飞机结冰特性对比分析

翼身融合（BWB）布局是提升未来民机综合性能的重要布局方式，其结冰飞行安全问题逐渐受到人们重视。针对翼身融合布局飞机与常规布局飞机的结冰问题，本文通过数值模拟的方法来开展结冰特性研究。本文提出基于Navier-Stokes方程对空气流场进行求解，并应用欧拉法计算水滴撞击特性，之后采用Shallow-Water结冰热力学模型的结冰计算方法。首先，通过将翼身融合布局飞机和传统布局飞机的计算结果与风洞试验数据进行对比，验证空气流场计算的正确性，并将两者进行对比分析；其次，数值预测飞机表面冰形的特征，将两种布局飞机结冰特性进行对比，结果表明，结冰对两种布局飞机气动外形的破坏程度从后掠翼翼根至翼尖逐渐变大，但传统布局飞机结冰只发生在机翼前缘和机头处，而翼身融合布局飞机前部几乎都发生了结冰，可为相关的结冰特性研究及防除冰设计提供技术参考。     

民机设计中的多学科优化和数值模拟

 结合世界民机研制的历程，论述了未来民机产品的要求和应用先进技术的重要性。讨论了市场模式的变化，即要求航空工业界提供更高，更快和更远（技术驱动型）的产品转变为生产快、价格低而性能更好（市场驱动型）的产品。这种变化要求新的设计方法，工具和过程。传统的按序和迭代的飞机设计模式将逐渐走向新的更加综合性的，如虚拟产品或综合的产品和过程发展的设计方法。多学科优化设计是实现新的综合设计方法的关键技术。文中简要地讨论了此方法和介绍了工业界应用的要求。计算流体力学（CFD）起着推动走向综合设计过程的作用。文中详细地说明了CFD对民机成功设计的中心作用，讨论了它的分析和设计的功能。数值模拟是未来飞机设计和发展中的关键模型化和模拟技术，对于现代化的综合设计的成功应用是很重要的。     

A new efficient technology of aerodynamic design based on CFD driven optimization

This paper describes a new technology of aerodynamic design based on CFD driven constrained optimization to minimum drag. Within an aircraft development project we focus on the aerodynamic design of wings and show how the design process has been advanced with the new capabilities achieved through the use of the recently developed in-house optimization tool OPTIMAS. The optimization method of the present work is based on the use of Genetic Algorithms and accurate full Navier–Stokes drag prediction. The results include a variety of optimization cases for aerodynamic design of transport-type aircrafts.     

民用飞机有限元模型的适航符合性验证

在民机结构强度设计及优化中，有限元模型作为一种数值计算方法已被广泛应用，并被业内所认可，但至今仍缺乏一套有效的有限元模型适航验证方法。本文从适航规章角度出发，探讨了有限元模型的验证思路和要求，梳理了验证要素，并给出了验证评价体系，可用于指导后续民机设计有限元模型适航符合性验证。     

基于伴随理论的大型客机气动优化设计研究进展

大型民用客机的气动设计具有巡航马赫数高、部件间流动干扰复杂、外形精细化修形难度大等特点，完全依靠人工试凑法进行气动设计工作量巨大。基于高可信度数值模拟的优化设计技术可以对该类问题进行自动寻优设计，给设计师提供有力参考，因此在大型民用客机气动设计中发挥着越来越显著的作用。首先，以大型民用客机为背景，总结了民机气动设计中的关键科学问题，指出了梯度优化设计方法在民用客机不同优化设计问题中的适用性，并进一步对梯度求解中的伴随方法理论进行了详细介绍。然后，分析了基于伴随理论的气动优化设计方法以及气动结构多学科优化设计方法在民用客机设计中的研究进展，其中气动优化设计方面着重突出了复杂全机多部件气动外形优化设计方法以及飞机/发动机一体化优化设计方法。最后，对基于伴随理论的气动优化设计方法在大型民机中的应用进展进行了提炼，对未来发展趋势进行了展望与建议。     

Adaptive optimization methodology based on Kriging modeling and a trust region method

Surrogate-Based Optimization (SBO) is becoming increasingly popular since it can remarkably reduce the computational cost for design optimizations based on high-fidelity and expensive numerical analyses. However, for complicated optimization problems with a large design space, many design variables, and strong nonlinearity, SBO converges slowly and shows imperfection in local exploitation. This paper proposes a trust region method within the framework of an SBO process based on the Kriging model. In each refinement cycle, new samples are selected by a certain design of experiment method within a variable design space, which is sequentially updated by the trust region method. A multi-dimensional trust-region radius is proposed to improve the adaptability of the developed methodology. Further, the scale factor and the limit factor of the trust region are studied to evaluate their effects on the optimization process. Thereafter, different SBO methods using error-based exploration, prediction-based exploitation, refinement based on the expected improvement function, a hybrid refinement strategy, and the developed trust-region-based refinement are utilized in four analytical tests. Further, the developed optimization methodology is employed in the drag minimization of an RAE2822 airfoil. Results indicate that it has better robustness and local exploitation capability in comparison with those of other SBO methods.     

基于CFD方法的大型客机高速气动设计

大型客机高速气动设计需融入型号的设计经验、准确的数值分析方法以及高效的全局优化流程。将型号研制积累的设计经验及准则与现有数值计算工具、优化算法和计算机硬件资源相结合,探索发展了基于CFD的大型客机气动优化设计综合方法,该方法系统综合全局优化与局部寻优、人工经验与数值优化、参数化方法和参数控制以及自动化网格生成等方法和技术,大幅提升了气动设计效率。同时,完善了工程中实用的大型客机高速气动设计方法和流程,设计过程中融入了气动、结冰、静气动弹性等多专业的综合约束,反映了机翼设计多学科综合的本质特征,有助于形成综合最优的设计方案。以大型客机的超临界机翼优化设计为例,叙述了其在高速气动设计工作中的应用。     

超临界机翼多目标气动优化设计的策略与方法

超临界机翼的气动设计十分复杂,往往需要借助于有效的优化手段。然而,优化方法本身往往无法直接表达真实完整的设计意图,因此需要将工程需求和约束转换为优化方法所能处理的数学形式。本文首先探讨了梯度优化方法和进化类优化方法在气动优化中的表现。之后简要总结了前人在飞机气动设计中提出的准则和要求,并基于压力分布形态定义了超临界机翼气动设计的关键特征及定量要求,探究其在超临界机翼气动优化设计中的应用效果。研究结果表明,在多目标优化中引入面向压力分布形态特征的目标和约束,能有效引导优化体现工程设计思想,进而提高优化效率。     

ARI_OPT气动优化软件研究进展及应用综述

针对飞行器气动外形精细化设计需求,为提高设计效率和设计质量,基于数值优化设计技术发展了气动优化设计工具ARI_OPT。ARI_OPT包含气动外形参数化、网格自动变形、高逼真度数值模拟、代理模型、高效优化算法等模块,分别简要介绍了各个模块基本的基本原理和方法及单个模块的验证结果。给出了ARI_OPT针对数值函数算例的功能验证结果和宽速域翼型、多段翼型和飞翼布局机翼等典型单目标和多目标气动外形优化问题的应用算例,表明了其可靠性和适用性。     

Effects of stability margin and thrust specific fuel consumption constrains on multi-disciplinary optimization for blended-wing-body design

Blended-Wing-Body(BWB) configuration, as an innovative transport concept, has become a worldwide research focus in the field of civil transports development. Relative to the conventional Tube-And-Wing(TAW) configuration, the BWB shows integrated benefits and serves as a most promising candidate for future ‘‘green aviation". The objective of the present work is to figure out the effects of the stability margin and Thrust Specific Fuel Consumption(TSFC) on the BWB design in the framework of Multi-Disciplinary Optimization(MDO). A physically-based platform was promoted to study the effect static stability margin and engine technology level. Low-order physically based models are applied to the evaluation of the weight and the aerodynamic performance. The modules and methods are illustrated in detail, and the validation of the methods shows feasibility and confidence for the conceptual design of BWB aircrafts. In order to find out the relation between planform changes and the selection of stability and engine technology level, two sets of optimizations are conducted separately. The study proves that these two factors have dominant effects towards the optimized BWB designs in both aerodynamic shapes, weight distribution, which needs to be considered during the MDO design process. A balance diagram analysis is applied to find out a reasonable static stability margin range. It can be concluded that a recommended stability margin of a practical BWB commercial aircraft can be half of that of a conventional TAW design.