基于Navier-Stokes方程跨声速翼型和机翼气动优化设计

将响应面方法引入到气动优化设计上来,进行了基于N-S方程跨声速翼型、机翼气动优化设计。通过去掉完全二阶多项式响应面模型中的二阶交叉项,大大减少了构造高维响应面模型所需要的计算量。合理地选择优化设计空间,保证了构造的响应面模型具有较高精度。跨声速翼型、机翼减阻优化算例结果表明该方法能有效地适用于气动优化设计问题,设计质量高,方法实用可靠,有较高的工程应用前景。     

基于共轭方程法的跨声速机翼阻力优化设计

机翼的气动特性从根本上决定了飞机巡航状态下的气动特性,经过良好设计的机翼会明显地提升全机的气动特性。连续共轭方程方法由于其求解梯度的计算量与设计变量数目无关,可以对复杂构型进行有效的优化设计。本文采用连续共轭方程方法对粘性条件下的机翼气动外形进行了优化设计。采用有限体积法进行流动控制方程和共轭方程的数值空间离散,多步Runge-Kutta方法进行时间推进,对于某三维机翼进行了有效的气动优化设计。     

基于黏性伴随方法的跨声速机翼气动优化设计

 进行了基于黏性伴随方法和Navier Stokes方程的跨声速机翼气动优化设计研究。分别推导了适用于三维跨声速机翼气动反设计和减阻设计的黏性伴随方程、边界条件和梯度求解表达式,并研究了伴随方程的数值求解方法。通过将网格生成、流场计算、黏性伴随方程数值求解、梯度求解和拟牛顿优化算法等几方面的有效结合,发展了一种跨声速机翼气动优化设计方法。为了提高计算效率,将多重网格方法应用到方程的数值求解中来加速收敛。跨声速机翼反设计和减阻设计算例验证了本文所发展的方法的正确性。采用本文的方法进行优化设计,一般通过20~30次迭代就能得到满意的结果。     

基于工程的跨声速机翼两步优化设计方法

以跨声速机翼设计中权衡气动性能和总体设计要求的工程应用为出发点,在保证机翼结构重量和容积不变的约束下,提出了平面形状优化与剖面翼型优化结合的两步优化设计策略.应用神经网络和遗传算法,建立了相应的设计方法.采用两步优化方法进行跨声速机翼设计,第一步设计中,通过平面形状优化,增大机翼展弦比、减小诱导阻力是机翼气动性能改善的主要原因,但由于结构重量约束,平面形状变化不大,对机翼气动性能改善有限;第二步设计中,以第一步设计所优化的机翼平面形状为基础,并以机翼容积为约束,通过机翼剖面翼型优化,弱化较大马赫数下的激波、减小激波阻力是机翼气动性能改善的主要原因.经过这两步优化设计,机翼在两个设计点下的升阻比分别提高了3.02％和9.96％,阻力发散马赫数由0.854 0推迟到0.865 3,表明两步优化设计方法适合于工程应用.在无结构重量和容积约束下,采用单纯气动最优的平面形状和剖面翼型优化两种设计方法均可明显改善机翼气动性能,但不能满足机翼结构重量和容积不变的设计要求.     

基于响应面法的机翼气动/结构一体化优化设计研究

基于响应面法进行了机翼气动/结构一体化优化设计研究,流动控制方程为三维欧拉方程,采用有限体积法进行数值求解,应力和结构变形采用有限元方法计算,静气动弹性分析采用强耦合迭代方式,响应面模型采用二次多项式来构造.以跨音速M6机翼为初始机翼,进行了多目标、多约束情形下的气动/结构综合优化设计,优化后所得到的新机翼具有更佳的气动/结构综合性能,升阻比增加了9.25%,而重量减轻了4.84%;响应面模型精度满足设计要求,拟合误差均不超过1%;这说明本文所发展气动/结构综合优化设计方法是成功且有效的,具有广泛的应用前     

支撑机翼跨声速民机的多学科优化设计

弗吉尼亚理工大学(VPI)的多学科分析与设计(MAD)中心采用多学科优化设计(MOD)对一种支撑机翼(SBW)外形的跨声速民机做了较为系统和广泛的概念设计研究。本文介绍了对各学科做近似计算的方法和工具,并将它们集成形成了一种完整的概念设计层次的MOD方法。该方法能实现空气动力和结构/重量的紧密耦合,完成两者间的平衡设计并取得最佳协调。作为工业界伙伴的LMAS对该软件注入了更多实践经验,并评估与验证了该软件。对于能装载325位旅客,巡航飞行Ma=0.85下飞行航程13 890 km的典型飞行剖面,大量优化计算结果表明SBW飞机可比常规飞机起飞总重量(TOGW)轻9.2%～17.4%,燃油消耗少16.2%～19.3%,发动机体积减小21.5%～31.6%,成本降低3.8%～7.2%。同时进行了技术水平和优化约束条件的灵敏度分析研究。所有结果清楚地表明SBW外形是可明显提高飞行性能的未来跨声速民机的一种新型外形。     

跨声速机翼的设计计算方法

本文介绍一种三维跨声速机翼设计计算方法,它以跨声速小扰动理论为基础,以给定的压力分布与分析计算的压力分布之差作为目标函数,应用Green定理建立起目标函数与机翼剖面形状修改量的线性代数方程组,从而求解出翼剖面的修改量,加到原来机翼各剖面上,再用分析计算程序计算,经过多次的反复,就可以达到设计目标。本方法的特点是分析计算程序与设计程序相对独立,只作小量修改就可联合使用。本文介绍用此方法设计的两个算例,说明设计结果是好的,计算机时与其它方法相比是大大缩短了。     

基于N-S方程的跨声速翼型多目标多约束优化设计

本文将粘性流场分析和数值优化方法耦合起来,发展了一种跨声速翼型设计方法,用以提高翼型在一个或多个设计点、在多种约束条件下的气动性能.由粘性流场分析程序计算得到的升力、阻力等气动参数构成目标函数,数值优化程序对其进行最小化.粘性流场分析采用了雷数平均N-S方程,这比过去翼型设计中使用的全速势方程或Euler方程更能模拟流动的本质,因而设计结果的可靠性大大提高了.优化算法采用传统的拟牛顿法(Quasi-Newton Method)和序列无约束极小化方法(SUMT).算例研究表明,本文发展的跨声速翼型设计方法设     

高空长航时飞行器机翼跨声速气动优化设计

高空长航时飞行器应具有升阻比高和俯仰力矩小的气动特性.基于遗传算法的随机性和隐含并行性,结合适用于多目标处理的Pareto方法,在低雷诺数和跨声速条件下,展开了高空长航时飞行器机翼外形的多目标、多设计点的数值优化设计.仿真计算结果表明,所设计的机翼具有较高的升阻比和较低的俯仰力矩,同时在设计马赫数附近升阻比的变化比较平稳,具有良好的综合气动性能.     

基于神经网络响应面的机翼气动稳健性优化设计

针对不确定性因素引起飞机性能波动的现象,探讨了机翼气动优化设计过程的稳健性问题;建立了面向速度和扭转角两个不确定性因素的气动性能稳健性约束模型;在利用MATLAB构造基于均匀设计法的BP(Back Propagation)神经网络响应面基础上,应用遗传算法对机翼分别进行考虑稳健性约束和不考虑稳健性约束的气动优化设计,得到两种不同的优化方案。计算结果表明:两种优化方案的最大升阻比都比初始方案的大;在巡航马赫数下,与不考虑稳健性约束的优化方案相比,考虑稳健性约束的优化方案的最大升阻比小0.027 9,但在马赫数、扭转角对应范围内其最大升阻比的变化量分别小0.034 0和0.001 6,其他气动性能参数也更加稳定,波动更小,气动性能具有更好的稳健性,从而证明本文方法进行机翼气动稳健性优化设计是可行、有效的。     

跨声速翼型多目标优化设计方法

本文通过采用多目标分级优化方法并基于求解全速势方程的跨声速粘流翼型计算方法，研究发展了一种多参数、多约束和多目标的跨声速翼型数值优化设计方法，应用该方法可以从普通低速翼型和超临界民办型出发通过多目标优化后得到在跨声速区的多个马赫数下阻力系数最小化的翼型几何外形，设计实践表明，该方法具有收敛快，调用目标函数次数少等优点。     

低速翼型多点／多目标优化设计方法研究

进行了基于响应面优化方法的低速翼型多点／多目标多约束设计方法研究。分析了完全二阶多项式模型（完全模型）和不含二阶交叉项的多项式模型（简化模型）对优化的影响,并分别进行了单目标和多目标的优化设计。结果表明多目标优化可以改善单目标设计的翼型性能在设计点附近取得极值的局限,而且用简化模型进行的更多设计变量的设计结果要优于完整模型的设计结果。     

考虑气动弹性变形影响的跨声速机翼设计方法研究

根据气动-结构一体化的设计思想,发展了一种考虑气动弹性变形影响的跨声速机翼CFD设计方法.设计实践表明,采用适当的结构弹性模型,方法可以在计及机翼静弹性变形影响的情况下设计出压力分布收敛于指定目标的新机翼,因此在跨声速机翼型架外形的设计和吹风模型的真实外形设计中具有良好的实用价值.     

高升阻比自然层流翼型多点/多目标优化设计

研究并发展了一套进行高升阻比自然层流翼型多设计点/多设计目标的优化设计方法。为减少设计中的计算量,使用了XFOIL程序进行流场计算。使用基于响应面方法的优化方法进行最优化计算,并使用了不含二阶交叉项的二阶多项式模型作为响应面模型,大大减少了构造模型所需的试验次数,使进行更多设计变量和多点设计成为可能。试验点的选择满足D-优化准则。研究了设计点及目标函数的选择,进行了单点/单目标及多点/多目标的设计,结果表明:多点/多目标设计可以很好的改善单点设计中非设计点性能变差的缺点,设计结果有工程实用价值。     

基于近似技术的高亚声速运输机机翼气动/结构优化设计

探索基于近似技术的高亚声速运输机机翼气动/结构多学科设计优化方法,建立了基于近似技术的多学科设计优化框架。气动学科采用全速势方程加黏性修正进行翼身组合体跨声速流动的气动计算,结构学科采用有限元分析方法进行应力与变形计算。采用均匀设计法给出若干样本点,分别采用二次响应面、Kriging模型和径向基神经网络等多种近似技术,构造气动学科和结构学科的近似分析模型,并对几种近似模型精度进行了分析和比较。研究发现,Kriging模型和二次响应面具有几乎等同的较高的近似精度,神经网络的近似精度则较差,由于二次响应面计算量更小,故最终选定为机翼设计优化的近似方法。以升阻比和结构重量为目标,考虑升力、机翼面积以及应力和应变约束条件,对运输机机翼4个外形参数和4个结构参数进行多目标、多约束优化设计。优化后的机翼具有较好的气动/结构综合性能,表明本文方法是可行的。