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。     

飞行器气动隐身一体化设计方法研究

针对典型的翼身组合体飞行器构型,对飞行器气动隐身一体化设计的具体实现方法进行了探索。通过采用面元法计算飞行器气动性能,采用物理光学方法来计算其雷达散射截面积,实现了基于遗传算法的飞行器气动性能与隐身性能两个目标函数之间的折衷与优化。并在此基础上建立了上述算法的并行处理方法;提出了旨在提高优化计算效率的响应面方法,在响应面方法中,响应函数模型分别采用了神经网络模型和模糊逻辑模型来进行构造,对设计算例均得出了比较好的优化设计计算结果。     

基于流体力学和电磁学方程数值求解的飞行器气动隐身一体化设计

介绍了基于流体力学和电磁学方程数值求解的飞行器气动隐身一体化设计方法.首先介绍了精度相对较高的飞行器气动和隐身特性数值计算方法,即,对于气动性能计算,求解的是结构网格上的NS方程加BL代数湍流模式;对于隐身特性计算,是用时域有限体积法来求解电磁学微分方程以获取RCS值.由于采用了高精度的数值方法,优化时单一设计点的气动性能计算和隐身性能计算变得较为耗时,因此在进行多目标遗传算法优化时本文采用了一种"少量样本计算+Kriging响应面模型建模"的优化策略.针对某类似X-47飞行器的一体化设计算例计算表明,上述设计方法是可行的,实现了优化设计中引入高精度的性能分析方法,有望提高优化结果的可信度.     

基于EFFD方法的自然层流短舱优化设计

采用extended free-form deformation(EFFD)方法研究了自然层流(natural laminar flow,NLF)短舱的气动外形优化设计方法.使用基于Bernstein基函数的EFFD方法完成了NLF短舱剖面的参数化,利用基于k-εSST(shear stress transport)两方程湍流模型的γ-θ转捩模型进行自然转捩预测,结合EFFD、一种混合动网格方法、Kriging代理模型和改进的粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)建立了针对NLF短舱气动外形的优化设计框架.采用该框架分别对通气NLF短舱和带动力NLF短舱进行优化设计.单独通气NLF短舱优化结果的外表面实现48%的层流,阻力系数比初始通气NLF短舱减小了0.0003.带动力NLF短舱的优化结果外表面保持了41%的层流.这些结果表明采用相关技术建立的优化设计框架在NLF短舱设计中具有一定应用价值.     

分析模型参数化建模在飞机多学科优化设计中的应用

 论述分析模型参数化建模在飞机多学科优化设计中的重要意义,提出一种机翼气动与结构分析模型参数化建模方法。优化设计变量与机翼气动计算网格的中间参数变量用于描述机翼气动网格变形情况,并建立结构有限元网格与优化设计变量的空间变化关系,实现机翼气动/结构多学科优化设计模型的参数化描述。气动性能计算采用基于N S方程的计算流体力学方法,利用试验设计方法（DOE）和响应曲面模型（RSM）技术构造气动响应曲面用于优化设计,结构计算调用MSC/NASTRAN完成。采用Pareto遗传算法对一大展弦比复合材料机翼模型进行了多学科优化设计分析,得到Pareto前沿面和可选方案以供决策者选择。     

兼顾气动和近场声爆特性的伴随优化

发展气动/声爆伴随优化设计方法对于研制新一代超声速客机具有重大意义。典型的气动/声爆伴随优化设计方法分为两种：近场信号的伴随优化和远场声爆预测耦合伴随设计优化。将最新发展的基于离散伴随理论的近场声爆信号反设计与气动特性优化结合,提出兼顾气动和近场声爆特性的伴随优化策略。首先,概述了伴随方程梯度求解和提出的基于信号射线方法的近场过压提取及目标过压装配过程,并验证了优化流程中近场信号及地面波形预测的准确性。其次,针对超声速民机标模,开展了低阻优化、近场低声爆反设计、兼顾气动和近场声爆特性的伴随优化三种策略的对比研究,结果表明兼顾气动和近场声爆特性优化策略的伴随优化在综合提升气动和低声爆特性上表现更优。最后与文献中相同算例的优化结果进行对比分析,进一步证明了该优化策略在超声速民机设计中的应用潜力。     

涡桨发动机总体性能优化设计

为提高非设计状态下发动机总体性能预估精度,发展了0D/2D耦合总体性能预估方法。针对某型3轴涡轮螺旋桨发动机建立了基于T-MATS平台的涡桨发动机总体性能0D仿真模型。对涡桨发动机可用功分配提出了2种优化方案。对原方案和2种优化方案的自由涡轮、尾喷管2个部件进行了2D流道和叶型设计,通过S_1流面与通流CFD计算验证了所设计部件的气动性能满足发动机总体性能指标要求。为提高非设计状态下发动机总体性能预估精度,采用0D/2D耦合总体性能预估方法分析了3种方案。结果表明:优化方案1使发动机当量耗油率在设计、巡航、地面状态分别降低2.1%、1.2%、2.0%。     

协同优化在机翼气动／结构一体化设计中初步应用

探讨协同优化方法是否能有效地解决机翼气动 结构一体化设计优化问题。首先对基本的协同优化和基于响应面协同优化二种方法的特点进行了探讨,然后以轻型飞机机翼气动 结构一体化设计为例,着重研究如何用协同优化方法建立机翼气动 结构一体化设计的优化模型。研究结果表明,基本的协同优化算法不能有效地解决该机翼气动 结构一体化优化问题,而基于响应面的协同优化方法在求解这一问题时具有较好的鲁棒性。     

动力效应对民机起飞构型气动特性影响的数值研究

采用在点对点多块结构化网格系统上求解三维可压缩雷诺平均N-S（Navier-Stokes）方程的方法,研究了发动机动力效应对民机起飞构型气动特性的影响.首先,通过涡轮动力模拟器风洞试验模型及民机高升力构型标准模型,对研究方法进行了验证,计算和试验结果的良好吻合说明研究方法用于模拟发动机动力效应及预测民机高升力构型气动特性是可行的.其次,针对分别安装通气短舱和动力短舱的某翼吊涡扇发动机民机起飞构型,研究了发动机动力效应对其气动特性的影响规律.结果表明:在通气短舱基础上预测的起飞最大升力系数、失速迎角以及阻力和力矩,在考虑动力效应后会产生明显的不同.动力效应可使外形最大升力系数增大并延迟机翼失速,但同时也带来了低头力矩增大和升阻比降低的不利影响.建议在对机翼及其高升力装置设计结果的数值校核中使用考虑进排气的动力短舱代替目前常用的通气短舱,这能为设计改进提供更可靠的依据.      

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。     

一种实用的运输类飞机机翼/发动机短舱一体化优化设计方法

发展了一套基于遗传算法优化/Navier-Stokes方程分析的运输类飞机机翼/发动机短舱一体化设计方法,提出了一系列保证该方法工程实用性的解决方案,其中包括设计变量模块化、局部优化全机分析、超临界压力分布约束条件等。通过采用适当的计算网格、并行算法及数值方法,使得基于遗传算法优化/Navier-Stakes方程分析设计方法的运算时间在工程上能够接受。运用该设计方法对下单翼运输类飞机机翼/发动机短舱一体化设计开展了单点优化和两点优化,结合二者结果对比验证了该方法的有效性和工程实用性。单点优化得到的机翼压力分布呈现无激波特点,阻力系数随马赫数变化比较剧烈;两点优化得到的机翼压力分布为弱激波形态,阻力随马赫数变化比较缓和,所设计的机翼具有更好的鲁棒性和工程实用性。     

一种旋翼翼型多点多约束气动优化设计策略

充分考虑伴随方法的梯度求解的准确性、CFD计算量小等显著优点,研究了引入基于伴随方法的梯度信息的响应面模型构造问题,发展了基于梯度信息改进的响应面方法,提高了多设计变量适应性及优化效率;针对悬停/前飞/机动状态下的旋翼翼型升阻比、阻力发散马赫数、最大升力等气动特性精确分析需求,分别提出了对应的合理气动计算策略;为有效适应旋翼翼型复杂气动设计问题,发展了基于伴随方法与响应面法有效结合、针对悬停/前飞/机动状态对应气动计算策略的一种较实用高效的旋翼翼型气动优化设计策略,提高了计算精度、鲁棒性与优化效率,进行了典型OA309旋翼翼型算例验证,优化后旋翼翼型与原OA309翼型相比,综合性能有较好改善,研究表明,所发展的气动设计策略是有效、可行的。     

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,具有广泛的应用前景。     

基于响应面法的低速翼型气动优化设计

响应面方法相较于其它直接优化方法有其高效、实用的优势,此前的研究更多地将响应面方法用于超音速和跨音速翼型的减阻优化设计中。本文将此方法应用于低速翼型优化设计中,进行了基于RANS(Reynolds-Aver-aged Navier-Stokes)方程和自由转捩预测耦合求解的低速翼型气动优化设计。通过计算附面层方程得到附面层参数并用en方法计算转捩位置,并考虑了T-S波和层流分离造成的转捩。RANS方程计算中,使用了转捩过渡区模型,以保证附面层外边界压力分布的精度。RANS方程和转捩预测迭代进行至转捩位置收敛。在响应面模型计算中,使用不含二阶交叉项的二阶多项式模型,减少了构造模型所需的计算量;合理的选择设计空间保证了构造的响应面模型具有较高的精度。使用三个设计点的多目标优化设计,保证了设计的合理性。通过对NACA64(1)-112翼型优化计算结果表明,本文的方法可以有效地进行低速翼型的气动优化,各设计点上转捩位置也得到了改善,有较好的工程实用前景。     

曲率连续的非轴对称短舱气动型面参数化设计方法研究

为了进一步提高短舱内外流的气动性能,基于类别形状函数方法建立了曲率连续的非轴对称短舱气动型面参数化设计方法。主要思路是先设计关键截面型线,再设计纵向型线,最后通过纵向型线周向有序组合建立气动型面。为评价所建立的短舱气动型面设计方法的适用性,从曲率半径分布、主要工况下的流动特性和气动性能三个方面对所发展的方法和基于圆锥曲线的方法设计的超大涵道比(UHBPR)短舱进行了对比研究。结果表明：与基于圆锥曲线的方法设计的短舱相比,所建立的方法设计的短舱气动型面不存在轴向曲率半径波动。由于消除了曲率波动引起的短舱壁面附近局部过度加速形成的高速低压区,在马赫数为0.8的巡航条件下外罩壁面局部阻力降低了4.5%；在马赫数为0.82的飞行工况下,外罩壁面局部阻力降低了5.5%。进气道气动型面设计方法的改进,使得大攻角爬升条件下进气道总压恢复系数提高了0.41%,稳态周向总压畸变指数减小了8.82%。     

基于增广Burgers方程的超声速客机远场声爆预测研究

声爆问题是限制超声速客机投入使用的巨大阻碍,精确的声爆预测方法是解决超声速客机声爆问题的关键。声爆远场预测方法主要有波形参数法和增广 Burgers 方程法,相较于波形参数法,增广 Burgers 方程法有更完善的模型和更高的预测精度。本文首先对增广 Burgers 方程求解,提出一种有效的非线性效应求解方法;然后基于算子分裂法构建声爆远场预测方法,利用第二届国际声爆研讨会的标准算例对该方法进行验证;最后分析时间、空间网格密度和缓冲信号对预测结果的影响。结果表明：基于 Burgers 方程的声爆求解方法不需要时间、空间网格达到收敛所需的网格密度,而是按照实际精度需求选取适当网格密度;缓冲信号的引入对于大型超声速飞机的声爆预测更加准确。     

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。     

飞机发动机短舱外形设计及数值仿真

发动机短舱对飞机的性能有着至关重要的影响。针对某型民用飞机,对其发动机短舱进行了初步参数选取和气动外形设计;并在此基础上开展了数值仿真计算。计算结果表明,设计的短舱气动外形满足设计要求,且进气道内总压恢复系数随着进气道扩散段长度的减小而增大。     

飞翼布局翼身融合特性研究

提出了融合度描述方法,通过建立统一的表面面元模型分析计算融合对气动特性和隐身特性的影响。采用响应面方法对基于几何模型的面元法计算结果进行修正,给出了最大升阻比和平均雷达散射截面积与融合度的关系曲线,为气动隐身一体化的翼身融合设计提供依据。     

悬停状态直升机桨叶扭转分布的优化数值计算

建立了一套基于高精度计算流体力学(CFD)技术和代理模型优化算法的旋翼气动外形设计方法。在该方法中,旋翼流场气动性能的计算采用了基于Navier-Stokes/Euler方程的CFD方法,并根据流场特点、精度和效率的要求采用Baldwin-Lomax(B-L)湍流模型,通量计算采用Roe-MUSCL格式进行。为提高网格生成质量和便于流场控制方程的求解,将流场分成两个区域,即围绕旋翼的黏性区和无黏的背景网格区。其中,桨叶网格使用了基于二维翼型网格的参数化方法生成,数值计算结果表明该方法有效地提高了网格生成质量及效率。在参考旋翼流场及桨叶细节流动分析的基础上给出设计变量及范围,有效减小了优化问题的规模;为满足优化和机理分析的需要,将基于置换遗传算法优化的拉丁超立方(PermGA LHS)方法和径向基函数(RBF)的代理模型优化方法引入到桨叶外形的优化设计中。首先以Helishape 7A旋翼为算例,检验了数值模拟方法的准确性。然后,应用所建立的优化方法针对旋翼负扭转分布进行了优化计算,结果表明优化后的旋翼悬停气动性能比优化前有了明显提高。