基于蚁群算法的高超声速飞行器气动布局优化设计

针对目前飞行器优化设计领域遗传算法计算量大、效率低的情况,提出了基于连续空间蚁群算法的高超声速飞行器气动布局优化设计方法.蚁群算法是近年来发展的一种全新仿生算法,具有全局性和高效性等特点,已经成功地应用于离散空间的优化设计.采用连续空间蚁群算法,对高超声速飞行器进行了多变量、多约束下的气动布局优化设计,并与采用遗传算法和约束可变多面体法的优化结果进行了对比,指出了蚁群算法的优点.本文的研究可为蚁群算法应用于复杂、高维的大规模飞行器设计问题提供参考.     

仿生微型飞行器悬停飞行的空气动力学研究

鉴于仿生微型飞行器在军事及民用领域的广阔应用前景,其一经提出便成为研究热点。仿生微型飞行器悬停飞行的空气动力学是微型飞行器设计的基础,因此伴随仿生微型飞行器的研制,相关空气动力学理论和设计方法也得到了丰富和发展。本文回顾了仿生微型飞行器悬停飞行空气动力学研究的相关进展。首先,介绍目前用于研究仿生微型飞行器空气动力学问题的一系列实验和数值仿真方法;然后,介绍悬停飞行下仿生微型飞行器高升力机理(如打开合拢机制、延迟失速等),并着重讨论了前缘涡稳定性等前沿问题;之后,介绍关于仿生微型飞行器的气动设计流程及方法的研究进展,包括仿生翼的流固耦合研究以及翼的几何、运动及结构参数优化设计研究;最后,对该领域未来的研究方向做了初步探讨,提出应针对蝴蝶、瓢虫等昆虫的飞行高升力机理做进一步探索,并在微型飞行器仿生翼设计及优化技术、仿生微型飞行器飞行动稳定性及控制等方面开展深入研究和关键技术攻关。     

形态仿生飞行器研制进展及关键技术

从大自然中生物的形态汲取灵感,对优秀的气动外形加以模仿和借鉴,从而获得更好的飞行性能,是形态仿生飞行器设计的基本思路。本文介绍了形态仿生飞行器的研制背景,分析了形态仿生“自上而下”和“自下而上”两种研究过程;按照仿鸟飞行器、仿鱼飞行器和其他仿生飞行器的类别分别介绍了形态仿生飞行器当前发展现状;探究了外形特征的提取方法,参照生物优良特性解决飞行器设计过程中的问题,仿生飞行器气动参数的辨识等关键技术,并对形态仿生飞行器的未来发展趋势进行了归纳总结。本文研究的内容对于形态仿生飞行器的设计具有一定的参考意义。     

鸟翼表面非光滑结构流动控制机理研究

本文拟通过对鸽子翅翼表面非光滑结构对仿生翅翼气动性能影响的研究,揭示了鸟类翅翼表面非光滑结构的流动控制机理,从而为飞行器的优化设计提供理论参考。首先结合逆向工程技术和3D扫描结果对活体鸽子进行翅翼的仿生重构,分别建立了光滑结构和非光滑结构的仿生翅翼模型。然后采用数值模拟方法对仿生鸽子翅翼模型进行空气动力学特性分析,研究了滑翔状态下飞行速度和飞行迎角对仿生翅翼气动性能的影响。在18m/s的飞行速度条件下,对不同飞行姿态时光滑仿生翅翼和非光滑仿生翅翼的气动性能及其流动结构进行了分析比较。研究结果表明:大迎角条件下,非光滑仿生翅翼具有较好的流动控制能力和气动性能,这也正是鸟类高效飞行的原因之一。     

飞行器气动与隐身性能一体化优化设计方法研究

首先根据多学科综合优化设计理论 ,针对飞行器外形布局设计特点 ,开展飞行器气动与隐身性能综合优化设计方法研究。分别采用线化格林函数法与粘性修正相结合以及物理光学法与等效电流法相结合的方法 ,建立了飞行器气动力特性与隐身特性的计算方法。利用多学科优化设计理论和遗传优化算法 ,开展了关于飞行器气动与隐身性能的协同优化设计方法研究。取得了初步的研究结果。     

乘波飞行器气动优化设计的关键技术与进展

乘波飞行器以高升阻比以及高度一体化性能成为国内外高超声速临近空间飞行器研究的热点。介绍了乘波飞行器气动优化设计的发展现状,重点分析了机体/推进一体化设计、增升减阻降热设计和优化设计方法的关键技术,提出了乘波飞行器气动优化设计的一种思路,并对未来进一步的研究进行了展望。     

基于代理模型的高效全局气动优化设计方法研究进展

基于高可信度计算流体力学的数值优化设计方法，在提高飞行器气动与综合性能方面正发挥着越来越重要的作用。基于代理模型的优化算法（SBO），由于能够实现高效全局优化，逐渐成为了气动优化设计领域的研究热点之一。近20年来，代理优化算法研究已取得了长足进步，多种先进的新型代理模型被提出，优化理论和算法也不断完善和发展。以飞行器精细化气动优化设计为背景，综述了基于代理模型的高效全局气动优化设计方法研究进展。首先，介绍了基于变可信度代理模型的气动优化设计方法、结合代理模型和伴随方法的气动优化设计方法以及基于非生物进化的并行气动优化设计方法的研究现状和最新进展。然后，针对飞行器气动优化设计学科领域的前沿问题，介绍了基于代理模型的多目标气动优化设计方法、混合反设计/优化设计方法、稳健气动优化设计方法的研究进展，以及基于代理模型的多学科优化设计方法的研究进展。文献综述表明，代理优化算法在设计效率、全局性以及鲁棒性等方面性能优良，已经发展到可以解决100维（100个设计变量）以内的气动优化设计问题，具有良好的工程应用前景。最后，探讨了基于代理模型的高效全局气动优化设计在理论、方法及飞行器设计应用方面所面临的问题和挑战，给出了未来研究方向的建议。     

新概念融合升力体气动布局设计优化方法研究

参考国内外高升阻比飞行器气动布局设计经验,针对进出空间飞行器的气动特性要求,开展跨速域高升阻比融合升力体气动布局(BLB)研究以适应进出空间飞行器的各种要求,在传统的翼/身外形的气动效率与纯升力体高容量效率之间寻求平衡。研究表明通过构建融合升力体数模,研究气动外形的系统参数化描述方法,选择设计变量及变化范围,研究优化算法,建立融合升力体气动布局设计及优化工具,开展融合升力体气动外形优化设计是一种值得深入探讨的研究方法。本文主要通过优化平台集成数模参数化程序、网格自动化及基于Euler方程的快速流场求解程序进行优化设计并对优化结果进行分析计算,发展了一种快速有效的气动布局优化设计方法,设计了初步满足设计要求的新型高升阻比融合升力体气动布局。设计的新布局能为再入飞行器气动布局设计提供参考,所发展的优化设计方法计算速度快,成本低,可以为走向工程实用化的复杂外形气动布局优化设计打下技术基础。     

高超声速飞行器构型的数值模拟、试验研究与优化设计

综合升力体和乘波构型的气动性能优势,发展了一种高超声速飞行器前体气动构型的设计方法。运用该方法参考某高超声速飞行器气动布局方案,设计了一种高超声速飞行器气动布局。对该类高超声速气动布局进行了数值模拟、优化设计和试验研究;并研究了该类气动布局在高空飞行时,稀薄气体效应对气动性能的影响。数值模拟结果表明：构型前体预压缩面能够将高压气体封闭在构型下表面,实现了乘波构型的设计概念;优化设计结果表明,对于该构型宽展比应在0.4~0.6之间,通过优化升阻比至少有3%~5%的提高余地。对DSMC算法的碰撞模型和有效碰撞次数进行了改进,发展了临近空间飞行器气动性能模拟软件。研究结果表明,在临近空间区域,该类气动布局的升阻比特性略有下降,但仍旧保持了高升阻比的气动优势。     

飞行器外形多目标多学科综合优化设计方法研究

从多目标多学科综合设计的角度出发，探讨了飞行器外形优化设计方法。建立了针对飞行器外形设计的气动与隐身一体化优化设计模型；采用Pareto遗传算法，建立了多目标优化设计方法；并针对具体算例进行气动外形与隐身特性的综合优化设计，将所得优化设计结果，与初始外形相比较，可以看出，优化后气动和隐身性能都有较大提高，实际结果表明本文提出的方法具有可行性和适用性。     

隐身性能约束的多目标气动外形优化设计

从飞机外形设计的总体、气动和隐身设计要求出发,根据多目标优化的基本概念,将Pareto方法与遗传优化搜索相结合,并采用了群体排序、基于共享机制的小生境技术和Pareto解集过滤器等技术使解集具有良好分布特性,在此基础上建立了一套可满足飞行器外形气动/隐身一体化综合优化设计优化模型和优化方法。文中针对飞行器外形优化设计要求,提出了复杂外形参数化和设计变量的选取原则。并根据某飞行器设计要求,进行了在以隐身特性为约束条件下,以亚声速和超声速气动特性为设计目标的飞行器外形综合优化设计,取得了良好的优化设计结果。     

升力体机动飞行器气动布局概念设计

开展高超声速机动飞行器的气动布局概念设计研究,提出一种新的升力体机动飞行器气动布局方案,进行了机体的优化设计,并进行了控制舵的匹配设计,研究了飞行器的气动特性和操纵效率问题。研究表明,该方案可以获得较高的配平升阻比及配平攻角,有较高的机动控制效率,是高超声速飞行器实现高机动的潜在可行方案。     

地球轨道再人飞行器最小气动加热外形优化设计

本文研究了地球轨道再入飞行器气动外形优化设计问题。文中选用飞行器再入总加热量为目标函数,考虑再入飞行器纵向气动稳定性能的设计要求,在给定再入重量和约定长细比的条件下,用内点罚函数方法求解满足规定纵向气动稳定性能要求的最小再入加热气动外形。计算结果表明,平头双锥体是一种很有吸引力的地球轨道再入飞行器气动外形,它既可以最大限度地降低再入总加热量和减轻再入防热层重量,又可以有效地提高纵向气动稳定性能。     

气动结构串行优化技术研究

针对飞行器工程型号发展中的气动结构优化设计需求,提出和讨论了一种气动结构串行优化策略,将气动结构耦合优化问题分解成了气动外形优化和多工况下保持巡航气动性能的结构尺寸优化两个串行子问题。基于自研工具和商业软件MSC Nastran建立了全自动的面向工程应用气动结构串行优化能力。开展了CRM-WB和HIRENASD机翼气动结构优化设计,同时取得了减阻和减重收益。结果表明所提策略具备一定的工程实用性,可在某种程度上解决飞行器型号发展中的气动结构优化设计需求。     

飞行器气动外形设计方法研究与进展

计算机技术与计算流体力学的不断发展带动了飞行器气动外形设计学科的巨大进步,气动外形设计方法经历了从"Cut-and-Try"到反设计再到优化设计,气动分析方法从依赖风洞试验到低可信度CFD计算再到高可信度CFD计算。随着气动外形设计方法的不断发展以及对飞行器性能要求的不断提高,气动设计对象、设计状态、优化模型、约束条件等都在变得越来越复杂与精细化,使得气动外形设计方法面临新的考验与挑战。本文根据作者及课题组多年研究的积累,结合国内外相关的研究成果,系统地回顾了飞行器气动外形设计方法的研究进展,对当前气动设计方法面临的新问题与新挑战进行了总结,并对未来气动外形设计的研究方向进行了展望。     

乘波体飞行器气动布局优化设计

由于具有高升阻比,乘波体是高超声速巡航飞行器气动布局的首选方案。文章在求解圆锥激波流场精确解的基础上,应用流线追踪方法,建立了乘波体飞行器气动布局的参数化模型。在此基础上,对飞行器的气动力特性进行了估算。最后,以气动布局参数为设计变量,升阻比最大化为设计目标,对乘波体飞行器进行气动布局优化设计,应用改进的粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO),对优化模型进行求解,得到了优化的气动布局设计方案。     

气动与隐身性能计算精度对飞行器设计的影响

将计算精度高的流场和电磁场求解算法引入到飞行器外形多目标优化设计中,研究了气动特性和雷达散射截面算法计算精度对外形设计结果的影响.以无人机外形气动与隐身一体化设计为例的研究结果表明,低精度优化设计的外形在实际应用中难以获得预期的性能,采用高精度计算模型的优化设计可以获得性能更优的外形.     

S弯进气道优化设计及分析

为改进隐身飞行器推进系统的气动性能,针对S弯进气道开展了设计和分析。基于数值模拟方法、代理模型和遗传算法构建了一套自动优化方法。在优化设计过程中,结合参数化建模、网格自动生成和改进(SST)湍流模型求解,应用优化方法对飞行器进行了多目标设计,得到了进气道的优化推荐构型。应用尺度自适应模拟(SAS)方法对优化进气道气动性能进行了全面和细致的分析。研究结果表明:SAS方法可以较好地模拟S弯进气道的流动,优化设计能够极大地改进S弯进气道的气动性能;相比原始设计,优化进气道设计点的总压畸变指数降低了16.3%,总压恢复系数提高了1.1%。     

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。     

一种新的蚁群算法及其在飞行器设计中的应用

尝试将蚁群算法引入飞行器优化设计领域,为此建立了适用于高维、多目标、多约束优化问题的连续空间蚁群算法,并以高超声速飞行器气动布局的多目标优化设计为例进行了验证.优化设计结果与采用遗传算法得到的优化结果进行了对比,指出了蚁群算法的优点.该研究可为蚁群算法应用于复杂、高维的大规模飞行器设计问题提供参考.