基于DFFD技术的翼型气动优化设计

开展了直接操作自由变形（DFFD）技术在翼型参数化及翼型气动外形优化设计中的应用研究,应用该方法可以对翼型形状进行直接操纵和精细的局部修型,从而在一定程度上克服了自由变形（FFD）技术无法直接指定几何外形变形量的局限性。通过最小二乘模式根据翼型表面直接操作点的位移求解各个FFD控制点相应的位移,将翼型设计参数从FFD控制点转化为翼型表面的直接操作点,从而有效地减少了高阶FFD控制体进行翼型参数化时的设计参数个数。算例表明,相比于FFD方法,DFFD方法不仅具备直接操纵翼型几何外形的能力,更具物理直观性,并且比FFD方法具有更好的局部变形特性。运用该技术结合遗传算法对RAE2822翼型进行了气动减阻设计,显著减小了设计状态下翼型的阻力,并且可以有效施加如前后梁位置翼型厚度等工程实用的几何约束,证明了该方法的有效性。     

直接操作FFD技术在翼型气动优化设计中的应用

几何外形参数化技术在飞行器的气动外形优化设计以及多学科优化设计中是影响其结果和效率的重要因素之一。针对自由变形技术(FFD)无法直接操纵几何外形表面指定点位移的局限性,开展了直接操作FFD技术在翼型参数化及翼型气动优化设计中的应用研究。建立了由翼型表面控制点的位移反求各个FFD控制点位移的求解模式,有效地降低了高阶FFD控制体进行翼型参数化的参数个数,并且具备直接操纵翼型几何外形的能力,更具物理直观性。运用该技术对于跨音速翼型进行了气动减阻设计,显著减小了设计状态下翼型的阻力。     

基于FFD与网格重构的飞翼无人机外形优化设计

为了使气动优化适应外形大尺度变化和外形高效参数化的需要,将外形高效参数化建模方法(FFD)与适合外形剧烈变化的网格重构方法相结合,对飞翼无人机外形完成了气动优化设计。外形参数化建模采用自由变形法(FFD),网格生成基于贴体笛卡儿自动网格重构技术,通过优化设计使飞翼无人机的气动性能得到了有效提升,布局升阻比增加了7.9%。优化结果表明,基于该技术的气动优化设计方法对大尺度变化外形具有良好的适应性。     

基于伴随方程和自由变形技术的跨声速机翼气动设计方法研究

将连续伴随方程法与自由变形技术(Free Form Deform-FFD)相结合开展了跨声速机翼气动外形优化设计方法研究。采用Bernstein基函数建立了空间FFD参数化方法,并应用基于控制理论的连续伴随方程方法建立了目标函数对于待优化几何外形的梯度求解模式,将几何外形参数化方法、连续伴随方法以及CFD数值模拟技术相结合,研究、构建了适合跨声速机翼的气动外形优化设计系统。利用该系统对ONERA M6机翼及某型民用客机机翼进行了气动减阻设计,算例验证表明该方法应用于跨声速机翼气动减阻设计效果明显,并且能较好的保持几何表面连续性和光滑性。     

基于任意空间属性FFD技术的融合式翼稍小翼稳健型气动优化设计

 以非均匀有理B样条基函数为空间控制体属性,建立了任意空间形状自由变形(FFD)技术参数化方法。所建立的气动外形参数化系统通过FFD控制体的分布以及控制顶点的合理选取,能够对任意复杂外形进行参数化设计。首先采用FFD控制体对某型客机翼稍小翼进行空间属性构建;然后结合基于Delaunay图映射技术建立了结构对接网格变形模式,采用分群粒子群算法以及误差反向传播训练算法(BP)神经网络进行稳健型气动优化系统的构建;最后对某型客机融合式翼稍小翼的后掠角、倾斜角和高度等参数进行稳健型气动优化设计,分析对比了优化前后翼梢小翼表面压力云图、截面压力分布及载荷分布。优化设计结果表明:设计后的翼稍小翼的升阻比与阻力发散特性明显提高。     

民用客机机翼/机身/平尾构型气动外形优化设计

针对典型跨声速民用客机的机翼/机身/平尾构型开展了基于离散伴随技术的气动外形优化设计方法研究,并采用自由型面变形(FFD)技术在优化设计过程中进行平尾的整体偏转,以实现最终设计结果全机俯仰力矩配平。采用基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的离散伴随技术求解气动参数对设计变量的梯度,使梯度求解计算量与设计变量个数实现解耦,提高了优化效率。应用FFD技术对全机构型进行整体参数化,可通过FFD控制体控制机翼外形的变化以及平尾偏转,在实现机翼优化设计的同时通过偏转平尾来进行力矩配平,避免了单独优化机翼外形可能带来的额外配平阻力。采用序列二次规划算法进行基于梯度的优化设计并处理大规模的约束条件。以Drag Prediction Workshop IV Common Research Model作为初始构型进行了有/无力矩配平约束的优化设计,并在优化过程中施加升力约束以及几何约束。算例结果表明,优化后的气动外形显著改善了机翼表面压力分布,消除了激波,在力矩配平约束下的算例中,通过平尾的偏转实现了俯仰力矩配平下的机翼优化设计。     

高超声速飞行器多目标气动优化设计

随着高超声速飞行器的发展,其外形优化受到了广泛关注。应用一种新型的改进多目标布谷鸟优化搜索算法(IMOCS),采用修正的牛顿法与面元法相结合来获得高超声速飞行器的气动性能,采用自由变形参数化方法(FFD)来进行外形的参数化,以最大化容积率和升阻比为设计目标,开展了高超声速滑翔飞行器的多目标气动外形优化设计,获得了综合容积率及升阻比性能更高的气动外形,验证了方法的有效性。最后,将IMOCS算法和当前主流的多目标优化算法NSGA-Ⅱ进行了对比,结果表明,IMOCS算法的效果明显优于NSGA-Ⅱ。     

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。     

基于代理模型的气动外形优化

探讨了一种将CAD软件、CFD商用软件与代理模型相结合的飞机气动外形优化方法。重点介绍建立气动分析代理模型的过程,这一过程包括确定设计变量及其取值范围、生成试验设计点、建立参数化几何模型、CFD数值计算、提取气动特性和构造代理模型。通过一个简单的机翼气动外形优化算例验证了这种方法的可行性和有效性。     

考虑工程约束的高可信度气动外形优化设计

实际气动设计中遇到的工程问题较为复杂,然而能够用于实际工程设计的高可信度气动外形优化设计工具较少.基于飞行器设计工程实际中的各种复杂气动约束和几何约束要求,集成高可信度非结构网格RANS方程求解器、弹簧比拟网格变形技术、FFD外形参数化、RBF代理模型、粒子群优化器,构建多设计点气动外形优化设计工具,并应用于先进低速层流翼型和高亚声速超临界机翼的气动外形优化设计中(包括单设计点和多设计点),进行考虑/不考虑气动约束和几何约束的气动外形优化设计分析.结果表明:多设计点气动外形优化设计工具有效,约束条件和智能优化器自动有效地引导了层流翼型和亚声速机翼外形的有利改变.     

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。     

翼型气动优化设计问题多极值特性研究

认识翼型气动外形优化问题设计空间的多极值特性,有助于人们在翼型设计阶段选择合理的优化算法,提高优化效率、缩短设计周期。研究RAE2822 翼型在优化减阻过程中设计空间的多极值特性,采用ADODGcase2算例,使用自由变形方法(FFD)对翼型进行参数化,通过拉丁超立方抽样方法对翼型加入初始扰动;使用基于梯度的优化算法对经过不同扰动后的翼型进行优化,并将优化结果与全局优化算法的优化结果进行对比。结果表明:ADODGcase2可能是一个单峰值气动设计问题,梯度算法能够得到相对满意的最优解,并且具有更高的优化效率;在给定面积约束的条件下,对于翼型跨声速单点减阻优化问题,设计空间很可能是单峰值的,可直接使用梯度优化算法。     

多区域自由变形技术在短舱安装位置减阻设计中的应用研究

为了进行短舱安装位置参数的减阻优化设计研究,首先在NURBS样条基函数的基础上建立了多区域自由变形(FFD)技术,通过对FFD控制体框架边界条件的合理选取建立组合框架,实现了多个控制框架对复杂外形不同区域的自由变形参数化,采用多个控制框架的空间控制体对某型客机短舱安装位置进行减阻优化设计。试验设计取样之后应用随机权重粒子群算法和Kriging代理模型建立气动外形优化系统,对某型客机短舱水平位置和水平安装角进行气动优化设计。优化设计结果表明,设计后的短舱位置使得整个飞机在一定攻角范围内的阻力显著减小,从而证明了基于多区域自由变形技术建立的优化设计系统是合理和实用的。     

基于Legendre小波的翼型参数化研究

翼型参数化方法的精确性,在翼型的生产加工、气动和隐身性能计算过程中有重要的作用。基于Legendre小波对翼型进行参数化研究,得到以小波函数为基底的上、下翼面控制参数。该方法通过对翼型基本数据处理,利用Legendre小波函数的正交性、显式表达式,可实现对翼型较为精确的描述。通过分析3种有复杂且具有代表性翼型的参数化结果,说明Legendre小波可准确地描述翼型外形,且随着翼型输入离散点数的增加,所得到的参数化翼型精度越高。算例进一步验证了该方法的可行性和有效性,扩展了翼型参数化的方法。     

基于CST参数化的翼型优化遗传算法研究

用外形建模的CST参数化方法,构建翼型几何可直接利用其后缘角、前缘半径等几何特征,其控制参数更能反映翼型特有的气动敏感性,有助于遗传算法搜索寻优。基于这一参数化方法,结合遗传算法,构造了用于翼型优化的设计方法。算法中,CST控制参数作为设计变量,采用二进制编码,并通过引入精英策略,提高了遗传算法的收敛性能。算法适应度评估涉及的流场求解则采用了基于Jameson有限体积法的Euler方程解算程序。先以NACA0012翼型为例,以其某一已知的表面压力分布为目标,进行了遗传算法的重构运算,给出了重构的翼型几何外形,验证了方法。在此基础上,进行了带约束的跨音速翼型优化设计,给出了升力系数极大化和阻力系数极小化等设计算例,展示出翼型优化设计的效果。     

基于FFD技术的大型运输机上翘后体气动优化设计

利用非均匀有理B样条(NURBS)基函数属性建立了任意空间的自由变形(FFD)参数化方法,进一步结合无限插值(TFI)变形网格技术、二阶振荡粒子群优化(PSO)算法以及计算流体力学(CFD)数值模拟技术,构建了通用的气动外形优化设计系统.采用该系统对C17运输机上翘后体进行气动优化设计,在满足后体最大宽度、高度以及上翘角不减小的情况下,巡航状态减阻2.6％,压差阻力减小19.8％.流态分析显示,优化后体阻力减小的主要原因是后体截面近圆度的增加以及近圆度沿机身轴线的变化量的减小使得后体周向逆压梯度减小所致.研究结果表明本文建立的基于FFD技术的气动优化设计系统对于大型运输机上翘后体的气动优化设计具有较好的实用性.     

宽包线吸气式高超声速飞行器外形优化研究

针对吸气式宽包线高超声速飞行器的气动优化问题，基于任务要求建立了基于多点权重分配的气动外形优化模型，并采用“CFD+准一维流”方法开展了气动性能分析。为兼顾气动外形优化的效率与精度，通过改进现有的并行加点策略，发展了一套基于代理模型与梯度算法的分层优化框架，并采用函数算例对改进后的加点策略进行了验证。对吸气式高超声速飞行器的气动外形进行了分层优化，在满足各学科约束的情况下使飞行器在各个优化评估点处的气动性能均有所提升。     

CFD在概念-初步设计阶段三维气动外形优化中的应用

在飞行器概念-初步设计阶段,建立基于CFD的气动优化链对于提高优化计算的效率具有较好的工程应用价值。使用德国宇航院开发的CPACS数据格式给出飞行器平面形状,结合NURBS翼型参数化方法对飞行器几何外形进行参数化;自动生成计算网格并求解Euler方程数值模拟流场以评估参数化气动外形的气动特性,进而构建响应面模型;使用SQP梯度算法搜索响应面模型以获取满足约束的最优解。以Onera M6机翼为例,对该优化链进行验证。结果表明:在满足约束的条件下,基于CFD的气动优化链能够成功地进行气动外形优化。     

考虑放宽静稳定度的民用客机气动优化设计

为了更加有效地减小民用客机考虑配平约束后的阻力,针对典型跨声速民用客机机翼-机身-平尾构型研究了不同静稳定度下的气动优化设计,并总结出在民用客机的减阻设计中考虑放宽静稳定度具有较大的减阻潜力。通过自由型面变形(FFD)技术对全机外形进行参数化,实现机翼型面的变形,进行气动优化设计并改变平尾的偏转保证全机能够力矩配平。采用基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的离散伴随方法求解目标函数对设计变量的梯度,然后基于序列二次规划算法进行基于梯度的气动优化设计。基于CRM(Common Research Model)构型,针对不同参考重心位置进行了考虑配平约束的减阻优化设计研究,验证了优化设计系统的有效性,算例结果表明,随着重心位置后移即放宽静稳定度,优化构型配平阻力减小,外翼段前缘吸力峰值明显降低且双激波的强度得到有效减弱,此外机翼的升力系数分布更加贴合最佳升力系数分布。     

吸气式空空导弹外形多学科一体化优化设计

针对采用整体式固冲发动机的吸气式空空导弹外形气动与推进耦合的推阻匹配设计难题,引入多学科优化设计方法提出了一种综合考虑气动/推进/质量/弹道的导弹外形多学科一体化优化设计技术。其中,气动性能预测采用代理模型技术,主要基于外形参数化建模、非结构网格技术和流场精细数值计算来自动构建气动数据库,据此建立了包含外形几何信息的气动预测代理模型,并对其预测精度进行了验证;推进性能预测采用推进求解模型,该模型根据固冲发动机理论建立,精度满足工程要求。对所建立的学科预测模型完成一体化集成后,以质点弹道仿真评估的战技指标为优化目标,对一款吸气式空空导弹进气道和翼面外形进行了优化设计,取得了推阻匹配的优化外形,优化后导弹动力射程提高10%。所提出的一体化优化设计技术,有助于吸气式空空导弹外形气动与推进耦合推阻匹配设计和提高导弹动力射程。