不同外形建模方法对机翼气动特性的影响

飞机设计和制造过程中外形建模方法对飞机气动特性有较大影响。针对一种大型商用飞机机翼外形方案,基于样条曲线曲面理论,以内外翼整体或分段造型、调整曲面特征截面数量等不同方法进行三维外形建模,同时借助CFD数值计算得出巡航状态下各外形的气动参数,对比分析几种建模方法对机翼外形和气动特性的影响,并总结出一些关于飞机机翼外形建模的基本原则,对飞机设计和制造工程有一定参考价值。     

NURBS曲面在气动外形变形中的应用

针对翼吊布局飞机复杂气动外形,建立了基于样条(NURBS,非均匀有理B样条)曲面和曲面叠加技术的曲面变形方法。在对样条曲线性质分析的基础上,以DLR-F6飞机为实例,对其机翼翼根、短舱挂架局部进行曲面网格变形,结果表明该方法能有效表述其复杂几何外形及型面变化特性,并且具有较好的局域性、可控性和光滑性。该方法可有效应用于吊舱挂架等复杂气动外形的建模、表面网格变形及气动外形优化设计等。     

自由曲面修形技术在民机翼身组合体上的应用

翼身结合处的整流在民机气动中有很重要的作用,需要设计合适的外形以调整机翼上表面的压力分布及翼身结合处的气流,达到提高大型民用客机翼身组合体气动性能的目的.基于CATIA的自由曲面修形技术,采用自由曲线B样条的参数化方法,综合考虑工程约束(起落架布局),对民机构型翼身结合处进行了整流设计,并采用求解N-S方程的方法计算样...     

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。     

基于N-S方程的翼型气动优化设计

本文简要回顾了气动优化设计的最新发展，并采用连续伴随方法对粘性条件下的翼型气动外形进行了优化设计。设计过程中，采用B样条曲线的控制顶点作为设计变量，通过求解伴随方程得到目标函数关系设计变量的梯度，最后用最速下降法和BFGS变尺度法对二维翼型进行了外形优化，验证了本方法直接、快速的设计能力。     

曲面样条插值法在飞机测压试验中的应用

飞机载荷设计中会涉及求解大量不同攻角和襟翼偏度的机翼气动压力分布,而风洞测压试验所测得的压力分布是有限的,如何选择一种合适的插值算法求出载荷设计中所需攻角和偏度的压力分布,是飞机气动载荷设计中的重要环节。采用样条曲面系数插值法,通过构造机翼压力分布的样条曲面函数,得到两种攻角和偏度情况下的压力曲面,进而插值出在两种攻角和偏度之间的任意一种攻角和偏度的压力曲面。将插值得到的压力数值和试验数据进行相似性对比分析发现:插值和试验值的相似系数较高与试验数据吻合度好。     

基于三次B样条的机翼气动隐身优化设计

应用参数化三次B样条对机翼进行了参数化建模,在自动几何生成基础上,应用面元法与物理光学法对机翼气动性能与隐身性能进行分析,利用遗传算法进行气动隐身多学科多目标优化,建立了一套适用于总体设计阶段的机翼气动/隐身设计方法,这种方法简单、快捷、适应性强,可方便地对机翼进行优化设计,同时也可用于其它翼面类部件的气动隐身优化设计.     

基于CATIA VB二次开发的机翼几何外形参数化建模研究

对于机翼参数化建模方法,利用Visual Basic进行CATIA二次开发,实现机翼的外形参数化建模。本文着重对基于CST的翼型参数化建模方法进行了研究,在生成的界面中输入相应设计参数:根弦长、翼展、前缘后掠角、后缘后掠角、翼型数据文件和翼型参数,如控制点处翼型上下表面相对厚度等。通过运行编写的Visual Basic的程序,自动在CATIA中生成机翼外形模型,从而实现了机翼模型的快速自动生成和修改,为CFD软件进行机翼气动分析和对机翼与翼型进行气动外形优化提供模型。     

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。     

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。     

基于响应面插值的非线性气动弹性计算

飞翼、大展弦比低雷诺数气动布局容易在小迎角的条件下出现气流分离,会带来明显的非线性气动力问题,同时气动弹性带来的影响亦不可忽略。针对此类布局提出一种建立基于径向基函数插值的非线性压力系数分布模型的方法,利用径向基函数插值建立面元上压力系数对迎角导数的响应面,将压力系数积分并通过无限板样条(IPS)方法进行气动结构多次迭代插值实现非线性气弹分析。结果验证了该方法对于静气动弹性分析的有效性,同时能准确地反映弹性带来气动效率的降低和变形对升力及阻力的影响。     

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。     

High-aspect-ratio Aireraft Aerodynamic Load DistributionCalculation Method Based on Piezometric Tunnel Test

为根据飞机高/低速风洞测压试验数据给出飞机的机翼,机身和尾翼的气动载荷分布,供外载荷计算使用,介绍了一种基于测压风洞试验的大展弦比飞机气动载荷分布计算方法。通过将测压试验数据插值到载荷计算模型网格中,并将测压试验数据与测力试验数据相协调,再对压力分布数据进行切面/纵向积分、样条插值和线性化拟合后,对飞机活动面中立、偏襟翼、偏副翼、偏方向舵和偏升降舵状态时的机身、短舱、机翼及翼身组合体气动载荷分布进行了计算。总结了各剖面区域表面压力随迎角,侧滑角,以及飞机舵面变化的规律,验证了测压数据与测力数据进行协调的必要性。对飞机气动载荷的设计优化有重要的反馈评估作用。     

高效气动优化设计方法

基于CFD方法开展气动外形优化设计通常计算量较大,采用离散共轭方法计算目标函数梯度,建立了高效的飞机气动优化设计系统。采用NURBS方法对翼剖面几何外形的扰动量进行参数化,避免了对原始外形的拟合,建立了基于NURBS方法的机翼剖面参数化方法。在复杂外形的优化设计中,动网格方法是关键技术之一,采用无限插值方法生成变形后的网格,并提出采用无限插值方法处理部件之间相贯线发生变化的情况。最后开展了翼身组合体+吊舱+挂架等复杂外形的优化设计,成功地减小了阻力,证明了方法的有效性。     

飞翼布局隐身翼型优化设计

针对飞翼布局设计中气动与隐身设计矛盾更为突出的问题,采用高精度气动和隐身计算方法,建立了基于Parsec参数化方法、径向基函数（RBF）神经网络、Pareto遗传算法和松散式代理模型管理方法的翼型多目标优化设计平台。根据飞翼布局内外翼不同功能和特点,确定了内外翼翼型不同的优化设计目标和约束条件,开展了兼顾气动与隐身性能要求的翼型综合优化设计研究。结果表明：对兼顾气动与隐身性能要求的飞翼布局,内翼段翼型主要通过弯度、前缘半径、尾缘角及厚度等设计,减小低头力矩和重点方位角的雷达散射截面（RCS）均值。外翼段翼型上表面的几何形状对跨声速气动效率的影响很大,应通过上表面设计提高跨声速气动效率,重点方位角RCS均值的减小则通过下表面设计实现。某些翼型参数对气动和隐身性能均有较大影响,但作用相反,应作为综合优化设计的主要设计参数,并采用不同的优化设计策略。Pareto方法给出的前沿阵面可为飞翼布局的三维设计提供更丰富的信息。     

扑翼飞行器机翼平面形状设计方法研究

通过均匀试验法在设计变量状态空间内寻找分布更均匀、更能反映系统性能的状态点,使用改进的片条理论计算机翼的气动特性,建立了扑翼飞行器机翼面积分布(尖削比)、扑动迎角与扑动频率的响应面模型,得到了尖削比对机翼气动特性的影响规律和机翼升力系数关于尖削比、频率与迎角的估算公式。     

A new non-linear vortex lattice method:Applications to wing aerodynamic optimizations

This paper presents a new non-linear formulation of the classical Vortex Lattice Method (VLM) approach for calculating the aerodynamic properties of lifting surfaces. The method accounts for the effects of viscosity, and due to its low computational cost, it represents a very good tool to perform rapid and accurate wing design and optimization procedures. The mathematical model is constructed by using two-dimensional viscous analyses of the wing span-wise sections, according to strip theory, and then coupling the strip viscous forces with the forces generated by the vortex rings distributed on the wing camber surface, calculated with a fully three-dimensional vortex lifting law. The numerical results obtained with the proposed method are validated with experimental data and show good agreement in predicting both the lift and pitching moment, as well as in predicting the wing drag. The method is applied to modifying the wing of an Unmanned Aerial System to increase its aerodynamic efficiency and to calculate the drag reductions obtained by an upper surface morphing technique for an adaptable regional aircraft wing.     

基于余量修正原理的多翼面气动力反设计方法

 将Takanashi 的余量修正方法由只针对单独翼面发展到针对多翼面问题, 形成一种处理多翼面升力系统的余量修正设计方法, 以此为基础发展了一种跨音速多翼面升力系统气动力设计方法, 形成了相应的跨音速多翼面设计软件, 并将该软件与国外先进的CFD 分析软件相结合, 形成跨音速多翼面升力系统气动力设计软件系统。利用该多翼面空气动力设计方法, 以鸭式布局为例, 进行了双翼面升力系统的气动力设计。设计实践表明本文的设计方法和软件具有很高的实用价值。     

基于伴随方法的机翼多设计点气动反设计方法

针对三维机翼多点多约束气动反设计问题,基于伴随理论方法和粘性流雷诺平均N-S方程,通过粘性流数值模拟、伴随方程与梯度精确数值求解、计算网格高效算法及梯度类优化算法等有效结合,并采用考虑多设计点梯度权重系数的并行计算近似模式,开展了一种三维机翼多设计点多约束气动反设计方法研究,进行了典型算例验证。研究表明:所发展的机翼多设计点气动反设计方法具有较好的鲁棒性及优化效率。