飞机系列机翼气动特性稳健匹配优化设计

在现代大型客机系列的设计中,机翼常作为通用模块,在每个型号上使用.针对各个型号因使用任务要求不同而使得对机翼气动特性需求不同的问题,引入设计权重,提出机翼气动特性匹配设计概念,建立了机翼气动特性匹配设计模型.并分析了设计权重的不确定性对机翼气动特性的影响,建立了稳健匹配优化设计模型,最终完成某高亚音速客机系列机翼气动特性稳健匹配优化设计.研究结果表明:与传统优化方法相比,稳健优化设计能够减小飞机系列中机翼在各型号上的气动特性差异,降低了设计权重的不确定性对机翼气动特性的影响, 提高了飞机系列的气动性能.     

基于N-S方程的民航机翼双目标优化设计

提出了一种可用于民航机翼的双目标优化设计方法.优化中的设计变量为给定机翼沿展向若干个剖面的厚度与扭角,优化目标为固定升力系数下的升阻比和机翼容积.采取N-S(Navier-Stokes)方程作为流场求解器,Powell方法作为优化求解方法,对Lockheed-AFSOR Wing A 某民航机翼进行了优化设计.在马赫数为0.6217条件下,Wing A 机翼双目标优化结果优于单目标优化结果.对某实际应用的民航机翼在巡航马赫数为0.78、升力系数为0.48的优化结果也表明,该方法能有效提高机翼升阻比和容积.相对初始机翼,双目标优化机翼最大相对厚度在翼根处增大,翼梢处减小,扭角绝对值相对初始机翼沿展向均减小.该双目标优化设计方法优于常规的单目标优化设计方法,可以为民航机翼的工程设计提供有益的参考.     

干线客机机翼气动/结构综合设计研究

为了妥善处理机翼设计中气动和结构之间的矛盾,提高飞机的整体性能,对干线客机机翼气动/结构综合设计方法进行了研究.将非等熵全位势方程CFD方法与基于工程梁理论的机翼结构设计方法相结合进行分析计算,用序列二次规划法对全局敏度方程所构造近似系统进行优化,通过对一系列近似系统的优化,逼近综合设计的最优解.最后以一种干线飞机的机翼气动/结构综合设计为算例验证了这一设计方法的可行性.     

基于升力线理论的机翼几何扭转设计方法

针对飞机设计对于减小诱导阻力的需求,结合升力线理论中三维机翼诱导阻力的相关研究,提出机翼的几何扭转设计方法.此设计方法以总升力、机翼平面形状、翼型气动特性为输入参数,以机翼的几何扭转为输出.在低速情况下,利用此方法得到的机翼具有椭圆形升力分布,从而具有最小的诱导阻力.采用远场法计算诱导阻力,应用参数化方法和CAT-IA实现机翼的自动生成,应用网格生成工具ICEM的脚本语言实现气动网格自动生成,应用MATLAB的符号运算功能编制程序.该设计方法适用于低速有粘流中平直翼的几何扭转设计,算例的CFD(Computational Fluid Dynamics)计算结果表明:利用该方法设计的机翼展向升力分布为椭圆,并能有效降低机翼的诱导阻力.     

基于升力线理论的机翼几何扭转设计方法

针对飞机设计对于减小诱导阻力的需求,结合升力线理论中三维机翼诱导阻力的相关研究,提出机翼的几何扭转设计方法.此设计方法以总升力、机翼平面形状、翼型气动特性为输入参数,以机翼的几何扭转为输出.在低速情况下,利用此方法得到的机翼具有椭圆形升力分布,从而具有最小的诱导阻力.采用远场法计算诱导阻力,应用参数化方法和CATIA实现机翼的自动生成,应用网格生成工具ICEM的脚本语言实现气动网格自动生成,应用MATLAB的符号运算功能编制程序.该设计方法适用于低速有粘流中平直翼的几何扭转设计,算例的CFD(Computational Fluid Dynamics)计算结果表明:利用该方法设计的机翼展向升力分布为椭圆,并能有效降低机翼的诱导阻力.     

基于Pareto遗传算法的复合材料机翼优化设计

针对某型飞机设计过程中遇到的副翼反效问题,提出了复合材料机翼满足气动弹性要求的优 化方法,构造了一种基于Pareto最优解定义的多目标遗传算法——Pareto遗传算法.该算法 以权重信息为基础建立Pareto解集过滤器,引入小生境技术等实现Pareto前沿面的求解.测 试函数计算表明该算法有较好的收敛性.以复合材料机翼的升力系数和滚转力矩系数为目标 函数,采用Pareto遗传算法进行计算得出一组Pareto最优解集,计算结果表明,给出的方案 能够满足工程需求,为决策者提供了多种可选方案.      

民用飞机机翼结构快速设计及自动化调整

为提高总体设计的质量和效率,研究了民用飞机机翼结构及整体油箱的设计措施,并在一个开放式飞机总体设计环境中实现这一功能.定义了飞机翼面坐标系,提出了机翼、梁/墙、桁条、翼肋和蒙皮的参数化描述及模型构建方法,建立了交互式机翼结构及油箱三维设计环境,自动获取结构及油箱的体积、重量、重心和惯性矩等物理信息.在此基础上,实现了机翼结构和整体油箱的自动化模型调整及几何体质量特性的自动重算,为总体设计阶段进行飞机重量、气动和结构的多学科设计优化奠定了基础.最后,给出设计实例说明了机翼结构的设计和自动化调整方法是有效的.     

螺旋桨/大柔性机翼静气动弹性快速分析方法

旋转的螺旋桨滑流掠过机翼将使机翼的气动特性发生改变,在高空超长航时无人机的设计中有必要对大柔性机翼气动弹性问题的螺旋桨滑流影响进行分析.运用Prandtl修正的动量叶素理论分析螺旋桨滑流及面内载荷;采用兰金涡核模拟滑流对机翼的诱导速度;采用三维升力线方法计算机翼定常气动力,利用曲面样条插值方法解决结构/气动耦合问题,并结合非线性有限元静力学计算方法,建立了螺旋桨滑流及面内载荷作用下大柔性机翼静气动弹性问题的快速迭代求解方法.以某大展弦比螺旋桨机翼为例,采用文中所建立方法对其静气动弹性特性进行计算研究.结果表明,旋转的滑流改变了机翼绕流当地攻角,从而影响了机翼气动力和变形分布,且在小前进比时影响更大.所建立的分析方法简便高效,在初步设计阶段有较好的应用前景翼绕流当地攻角,从而影响了机翼气动力和变形分布,且在小前进比时影响更大.所建立的分析方法简便高效,在初步设计阶段有较好的应用前景.      

弹性变形对柔性机翼气动特性影响分析

针对大展弦比全复合材料机翼的非线性静气弹响应行为,采用CFD/CSM(Computational Fluid Dynamics/Computational Structural Mechanics)弱耦合方法,使用三维N-S方程和结构力学方程以及动网格生成技术和压强插值技术,通过高精度的数值模拟,求解了大展弦比柔性机翼在结构几何非线性变形状态下的非线性静气弹响应问题.算例分别对典型的大展弦比复合材料前掠机翼和后掠机翼进行了求解,计算结果表明,与前掠翼相比,后掠翼的升力系数明显降低,升阻比降低,严重偏离了刚性机翼的设计点,在柔性机翼的气动设计中必须加以考虑.      

机翼低速风洞试验颤振模型优化设计方法

对于机翼的低速风洞颤振试验模型设计中涉及学科多、难度高、工作量大、周期长等问题,把具有很好的全局和局部寻优能力且收敛速度很快的遗传/敏度混合优化算法应用于模型设计过程;详细说明了遗传/敏度混合优化算法的优化设计原理、设计过程,以及应用范围;论述了机翼颤振模型设计的基础理论和设计思路;根据实际问题的物理模型,并通过对机翼颤振模型设计原理的分析,建立了优化设计的数学模型;通过优化设计方法的实际应用,完成了设计工作,提高了设计效率,保证了设计精度,该设计方法所得到的设计结果与计算得到的设计要求之间的误差在5%以内;在此基础上建立了完整的机翼颤振模型工程优化设计方法,使该方法能够应用在模型设计的很多方面,为工程设计提供了一种有效的手段.      

复合材料弹翼结构热力力学分析

对复合材料的弹翼结构进行热效应分析，利用超音速热空气动力学理论，对六角形翼形进行了气动加热计算，用一维有限元模型对弹翼结构进行了非线性，瞬态温度场计算，其中考虑了材料热传导系数随温度变化的相关性，以及气动加热系数与辐射边界条件的非线性；利用温度场结果，采用高阶有限板元模型对弹翼的热应力和变形进行了计算分析。计算结果表明，与已有结果吻合较好，此分析模型和程序可用来进行复合材料弹翼的结构设计。     

一类TVD型组合差分方法及其在磁流体数值计算中的应用

根据太阳风数值模拟的特点，考虑到算法的质量（收敛速度、稳定性、精度等），结合磁流体数值计算的特性，对三维球坐标磁流体动力学（MHD）方程组中的流体部分采用一种修正Lax-Friedrichs差分法而对磁场部分采用MacComack格式，发展了一类快捷的具有TVD特性的组合数值新方法，作为格式的检验，在一维情况下，将其与PPM格式进行了比较，对一维快慢磁流体激波问题得到了与PPM格式精度相同的结果，然后将其诮到定态太阳风的数值模拟上，在不同等离子体β情形下，可得到理想的太阳风定态结构，为今后将此数值模式应用到具有复杂磁场位型或三维直实太阳风暴的数值模拟研究奠定了基础。     

超音速靶机的总体设计与研究CSCD

根据武器系统试验需求,提出了超音速靶机的总体技术要求。按照飞行器设计的基本流程,完成了某型超音速靶机的总体设计,对该型靶机的动力系统、气动布局、气动特性等方面进行了详细设计,并对主要飞行性能进行了计算,为超音速靶机的工程实现打下了基础。     

保证误差收敛速率机动滑翔飞行器抗饱和控制

在执行机构饱和约束下,针对机动滑翔飞行器高空横侧向大机动姿态控制问题,研究了在保证系统稳定的同时提高响应快速性方法.在标准Antiwindup方法中,误差收敛速率往往被忽略,系统快速性常常达不到设计要求.为了提高加入补偿后系统的误差收敛速率,对现存的一种基于线性矩阵不等式的Antiwindup设计方法进行改进,并运用比较原理证明了改进后受控闭环系统稳定且李雅普诺夫函数收敛速率有确定的下界,从而保证了误差收敛速率下界.与以往方法相比,该方法保证了对系统快速性的最低要求,为解决饱和系统稳定性与快速性的矛盾提供了一条有效途径.较大侧滑角下的倾侧角机动仿真结果表明,所设计的抗饱和控制器可以在恶劣的飞行环境下稳定完成倾侧角大机动的任务,相比于标准Antiwindup设计方法,该方法快速性有所提高.     

迎风格式在二维非结构网格中的应用

将原来在结构网格中提出的AUSM+ (AdvectionUpstreamSplittingMethod)格式 ,推广应用于二维非结构网格中 .利用格林 高斯公式对控制体内的变量进行线性重构 ,获得空间二阶精度 ,并采用Barth型限制器以抑制数值解的振荡 .为提高计算效率 ,采用了自适应多重网格法 .最后给出了NACA0 0 1 2翼型和平板激波反射的几个Euler方程的算例 ,并进行了分析比较 .     

基于二阶滑模的导弹控制系统设计

过载控制是近年来导弹控制律设计领域出现的一种新的非线性控制方法,引起越来越多的重视,但是在采用过载控制方法对侧滑转弯(STT, Skid-To-Turn)超音速巡航导弹纵向回路控制系统设计过程中,由于过载输出与舵偏输入之间存在非最小相位现象,导致系统零动态不稳定.提出用输出重定义将系统状态进行转换的思路,利用内部状态在平衡态时应具有的响应作为其期望参考轨迹,将输出跟踪转化为状态跟踪,以保证系统的零动态稳定.采用二阶滑模设计控制律,消除了一阶滑模所固有的颤振现象,用Lyapunov函数确定出控制器参数,保证了对系统输出的跟踪.鉴于攻角不易精确测量而导致了系统状态不完全可测,控制律设计过程中设计了攻角观测器解决了上述问题.系统仿真研究表明,根据上述方法设计的系统具有比较理想的稳定性和鲁棒性,同时具有更好的动态性能.     

多翼导弹复杂流场及气动力的数值计算

将改进的Jameson格式应用到多翼导弹的三维流场计算中,并使用分区技术和三维椭圆微分方程数值网格生成技术以精确模拟此复杂构形的复杂流态,计算结果与美国导弹标模的实验吻合很好.一系列攻角下导弹三维流场的数值模拟表明,修正Jameson中心差分格式能够适用于复杂外形、复杂流态、亚/跨/超/高超音速的流场计算,而且精度和分辨率都比较高,结果可信.     

迎风格式在二维非结构网格中的应用

将原来在结构网格中提出的AUSM⁺(Advection Upstream Splitting Method)格式,推广应用于二维非结构网格中.利用格林-高斯公式对控制体内的变量进行线性重构,获得空间二阶精度,并采用Barth型限制器以抑制数值解的振荡.为提高计算效率,采用了自适应多重网格法.最后给出了NACA0012翼型和平板激波反射的几个Euler方程的算例,并进行了分析比较.     

超声速进气道可压及不可压流动数值模拟

采用Chio-Merkle预处理矩阵对可压NS(Navier-Stokes)方程组进行时间预处理,分析了预处理方法的物理和数学背景.用有限体积方法,结合LU-SGS(Lower-Upper-Symmetric-Gauss-Seidel)隐式时间积分和AUSM+(P)(Precondition Advection Upstream Splitting Method)格式、中心差分2种空间离散格式,求解该预处理NS方程组.通过圆弧凸包流动和二维方腔顶盖驱动流动的数值试验表明,该方法克服了传统时间迭代方法模拟低速流动时的刚性问题,加速了收敛过程,可以同时有效地模拟可压及不可压流动.用此方法与块结构化网格技术相结合,进行了在不同飞行马赫数、攻角和出口反压条件下,混压式轴对称超声速进气道三维流场数值模拟.计算结果表明:该方法能准确地捕获复杂激波系,清楚地揭示进气道三维流动现象;进气道性能随工作条件的变化规律,与理论分析一致.      

固定时间收敛的三维制导控制一体化设计

针对终端角度约束、状态约束和控制受限问题,在三维空间内,提出一种固定时间收敛的导弹制导控制一体化设计方法。构建了带终端角度约束的制导控制系统三通道全耦合设计模型,采用固定时间收敛的滑模干扰观测器对一体化设计模型中的未知干扰进行估计和补偿。基于固定时间稳定性理论、终端滑模控制和反演控制方法等对制导控制系统进行一体化设计,并采用二阶指令滤波器对系统状态及控制指令进行约束。对所提方法的固定时间收敛特性进行证明,并给出具体的收敛时间表达式。通过导弹六自由度仿真,验证了所提方法的有效性和优越性。