基于伴随理论的大型客机气动优化设计研究进展

大型民用客机的气动设计具有巡航马赫数高、部件间流动干扰复杂、外形精细化修形难度大等特点，完全依靠人工试凑法进行气动设计工作量巨大。基于高可信度数值模拟的优化设计技术可以对该类问题进行自动寻优设计，给设计师提供有力参考，因此在大型民用客机气动设计中发挥着越来越显著的作用。首先，以大型民用客机为背景，总结了民机气动设计中的关键科学问题，指出了梯度优化设计方法在民用客机不同优化设计问题中的适用性，并进一步对梯度求解中的伴随方法理论进行了详细介绍。然后，分析了基于伴随理论的气动优化设计方法以及气动结构多学科优化设计方法在民用客机设计中的研究进展，其中气动优化设计方面着重突出了复杂全机多部件气动外形优化设计方法以及飞机/发动机一体化优化设计方法。最后，对基于伴随理论的气动优化设计方法在大型民机中的应用进展进行了提炼，对未来发展趋势进行了展望与建议。     

民用运输机短舱涡流片设计研究

采用已通过风洞试验验证的CFD流场数值模拟方法,从流动机理出发分析空间涡量的变化,研究了翼吊发动机短舱涡流片的安装位置对着陆构型升力特性的影响。数值模拟的结果表明:由于发动机短舱以及挂架的影响,缝翼下偏后会在主翼上留下的台阶以及缝翼的端面等,大迎角时诱导出许多空间涡系,容易引发主翼上表面的分离。短舱涡流片诱导的空间涡能够有效地抑制这些空间涡系和低速区,提高失速迎角和最大升力系数,对于文中着陆构型,失速迎角提高2°,最大升力系数提高0.15。短舱涡流片后移或者下移均会引起空间涡的下移,有利于抑制大迎角下主翼中段低速气流。但下移涡流片的同时会降低空间涡的强度,使其抑制作用减弱。因此,为了提高失速迎角和最大升力系数,在设计过程中需综合考虑短舱涡流片所诱导空间涡的强度和位置。针对某型民用运输机着陆构型中短舱涡流片因几何约束需对其位置进行重新设计的问题,根据上述研究结论,综合权衡空间涡的强度及位置,重新设计了短舱涡流片的位置。计算结果表明,重新设计涡流片的位置后,几何约束得到了满足,着陆构型的最大升力系数仅损失0.015,仍然能够满足设计指标。     

某型无人机的易损性评估和减缩设计

无人机在现代战争中扮演着越来越重要的角色,其易损性问题也成为无人机设计中必须考虑的关键问题之一.利用Patran建立了某型无人机的易损性模型;并用飞机易损性仿真评估系统对该模型的易损性进行了计算;进而提出了易损性减缩设计方案;通过再次计算可知该设计方案可明显降低其易损性.     

确定鸟体材料参数的反演方法

针对鸟撞飞机结构耦合解法中鸟体建模问题所遇到的困难,以鸟体正撞平板数值分析得到的计算解与试验基准解的离差作为驱动演化过程的动力,基于非线性最小二乘法和外点罚函数法,将参数反演问题转化成无约束非线性最优化问题来求解,并利用ANSYS环境下的二次开发语言APDL(ANSYS Parametric Design Language),建立了参数反演系统,对鸟体材料参数进行了反演.结果表明该方法是可行和有效的.     

民机地板以下结构参数变化对机身适坠性能的影响研究

为了确保乘员在可生存事故中存活,民机结构必须具备适坠特性.适坠性设计的关键部位为地板以下结构,包括底框、行李舱底部结构和行李舱支柱三个元素.对民机典型机身结构进行了简化,利用LS-DYNA建立了1/4缩比动力学仿真模型,利用该模型考察了行李舱支柱位置、角度及行李舱高度变化对机身坠撞特性的影响,仿真结果表明合理选择行李舱支柱位置、角度及行李舱高度参数可以大大改善民机机身结构的适坠性能.     

融合于机体的两段可动式侧板流动控制技术研究

通过风洞实验,研究了基于前掠翼融合体无尾气动布局的一种新概念流动控制技术。针对大迎角机翼根部分离问题提出的两段可动式侧板流动控制技术,通过可动段与固定段前缘之间形成收缩型缝道,将机身下表面的高能气流引入上表面增强机体侧缘涡。研究结果表明,此项技术可以加强对机翼根部和后体流动的控制、减缓机翼根部分离、控制机头分离区,既提供俯仰控制力矩、又不损失升力,改善了失速特性,有利于纵向配平和俯仰控制。两段可动式侧板控制技术为无尾布局飞机设计提供了一条崭新的思路。     

空间反射镜组件Bipod柔性元件卸载能力分析

由于准静定特性以及对温度和制造装配误差的良好卸载能力,Bipod类型的柔性元件在空间遥感器特别是空间反射镜支撑结构上发挥着重要作用。主反射镜的性能在光机系统设计中占据着重要地位。文章在前期工作基础上对Bipod的分类方法进行了改进,引入相对刚度比和相对位移比的概念来描述反射镜Bipod柔性元件的卸载能力,并通过实例分析证明,随着相对刚度比的降低,Bipod柔性元件的卸载能力得到进一步增强,反射镜的面形精度也得到显著改善。相对刚度比参数的引入为设计者选择合适的柔性元件提供了参考。     

液体火箭发动机管路断裂失效分析及动力优化

液体火箭发动机管路系统的安全性与可靠性已成为发动机能否安全工作的关键。针对某型火箭发动机管路断裂失效的问题,提出了管路的动强度失效分析方法与动力优化设计技术。通过机理分析与故障复现,提出了管路振动控制措施;以故障管路考核部位接头的前后倒角为设计变量,以倒角位置最低动应力为目标函数,采用结构频率禁区约束,进行动力学优化模型设计与基于形状优化的动强度优化设计;开展接头结构在基础激励下的随机振动疲劳损伤定量分析,改进方案最终通过了疲劳试验验证。结果表明,通过对管路结构的动力学优化,提升了管路结构的力学环境适应性与可靠性,验证了改进措施的有效性;所建立的结构失效分析、动力优化设计方法可为型号研制工作提供技术支撑。     

基于梯度增强型Kriging模型的气动反设计方法

基于Kriging模型的代理优化算法目前在气动优化设计中得到了广泛应用。但在高维(设计变量大于30个)气动优化中,计算量过大的问题对其进一步发展产生了严重制约。将翼型和机翼气动反设计问题转化为优化问题,采用Adjoint方法进行快速梯度求解,利用基于梯度增强型Kriging(GEK)模型的代理优化算法分别开展了18、36和108个设计变量的气动反设计。首先,通过采用在设计空间局部建立GEK模型的方法成功地将基于代理优化算法的气动反设计问题的维度拓展到了100维以上。其次,研究了梯度计算精度对基于GEK模型的反设计的影响,发现梯度精度越高,反设计的最终效果越好,同时效率相当。最后,通过不同维度的气动反设计算例,比较了改进拟牛顿法(BFGS)、基于GEK模型和Kriging模型的代理气动反设计方法,结果表明基于GEK模型的代理优化算法的效率大幅度高于基于Kriging模型的代理优化算法,并且维度越高,效率优势越明显;同时,基于GEK模型的代理优化算法在优化效果及分析程序调用次数上相比于BFGS方法也略有优势。     

基于MCMC的PLP未来强度的Bayesian预测分析

在无信息先验分布下，将Gibbs抽样与Metropolis-Hastings算法相结合的方法应用于幂律过程的未来强度的Bayesian预测。该预测方法能将时间截尾数据和失效截尾数据统一分析，并给出在未来某一时刻处强度函数的MCMC样本，利用该样本可以方便地获得关于未来某一时处刻强度函数及其函数的各种后验分析。一个经典工程数值算例说明了预测方法的可行性、合理性与有效性。