应用敏感性分析的机翼三维气动外形优化

报道了有效而实用的三维设计程序（ＡｅＳＯＰ）的发展,该程序以及离散敏感性分析为基础,能处理大量的设计变量,敏感性分析的作用在于直接“耦合”计算流体动力学（ＣＦＤ）和数值优化法,促进高效的直接设计方法的发展,流量解算是以欧拉方程的原始全隐式公式为依据的,在设计跨音速流中运输机的三维机翼时验证了这种新程序,另外,文中报道了一种非常灵活的机翼模型,完全以二维和三维Ｂｅｚｉｅｒ－Ｂｅｒｎｓｔｅｉｎ参数化法     

Pareto遗传算法在气动外形优化中的应用

Pareto方法作为一种多目标优化方法,能够一次性获得优化问题对应的不同权重分配情况下的所有最优解集。它与遗传算法结合产生的Pareto遗传算法,是求解多目标优化问题的Pareto最优解集合的一种有效手段。本文将两种常用的Pareto遗传算法,MOGA方法和两支联赛遗传算法应用到气动外形优化中,针对具体算例进行气动外形的优化设计,得到了满意的优化设计结果。     

基于NURBS方法的机翼气动外形优化

飞行器气动外形优化就是将设计对象的空气动力学性能分析与最优化方法相结合,通过不断改变设计对象的外形,使其气动性能在满足一定约束条件下达到最优.气动外形优化是一个涉及几何参数化、动网格、流场计算和寻优算法的综合应用平台.随着计算流体力学(CFD)的发展以及高性能计算机的使用,气动外形优化在现代飞行器设计中的作用愈加重要....     

自然层流机翼气动外形优化研究

层流技术在飞行器尤其是民用客机减阻方面具有较好的应用潜力。采用全速势方程(TRANAIR)、序列二次规划(Sequential Quadratic Programming,SQP)优化算法及自适应笛卡尔网格技术,用两种不同的参数化建模方法,类函数/型函数变换(Class function/Shape function Transformation,CST)和非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Spline,NURBS)方法,对某自然层流机翼进行了多点优化设计,设计点为:C_L=0.45(M:0.735,0.755,0.765,0.775),C_L=0.50(M:0.755),约束条件为:升力、俯仰力矩和翼型20%、80%及最大厚度不得低于初值。优化结果表明:虽然CST方法在翼型描述上具有先天优势,NURBS方法更多用于三维曲面,而对于文中自然层流机翼算例,NURBS的优化效果更好;在C_L=0.45(M:0.755)状态下,优化后上翼面转捩位置明显后移,层流区域变广,总阻力减小了4.5%;采用的优化方法在进行五点优化时仍然具有较高的计算效率,具有较强的工程实用能力。     

考虑工程约束的高可信度气动外形优化设计

实际气动设计中遇到的工程问题较为复杂,然而能够用于实际工程设计的高可信度气动外形优化设计工具较少.基于飞行器设计工程实际中的各种复杂气动约束和几何约束要求,集成高可信度非结构网格RANS方程求解器、弹簧比拟网格变形技术、FFD外形参数化、RBF代理模型、粒子群优化器,构建多设计点气动外形优化设计工具,并应用于先进低速层流翼型和高亚声速超临界机翼的气动外形优化设计中(包括单设计点和多设计点),进行考虑/不考虑气动约束和几何约束的气动外形优化设计分析.结果表明:多设计点气动外形优化设计工具有效,约束条件和智能优化器自动有效地引导了层流翼型和亚声速机翼外形的有利改变.     

基于PCA降维的气动外形参数化方法

几何参数化建模是气动布局设计的关键技术之一,简洁、高效、准确的几何表征对于提高飞行器设计效率和质量有着至关重要的作用。基于主成分分析（PCA）的特征提取降维,可以在满足几何表征精度的条件下,进一步降低现有参数化方法的维度,更好地服务于气动布局设计。本文介绍了基于PCA的翼型参数建模方法,分析了采样空间设计、样本数量、采样参数、几何重构方式等各个因素对PCA建模过程中降维能力、基模态特性以及几何表征能力的影响。通过CFD仿真分析,进一步探究PCA建模方法在气动性能表征方面的能力。仿真分析指出：基于PCA的翼型参数化方法,可以在满足几何外形表征精度的条件下降低现有方法参数维度,且其设计参数与几何特性有对应关系,利于在布局设计中加入工程经验;基于同一类采样方式的PCA建模,其模态特性、降维能力和几何外形拟合能力受采样空间、样本数量的影响很小,但对采样方法的参数配置较为敏感;本文所研究的建模方法,可在保证几何表征精度的同时满足气动力表征精度,其在气动布局设计优化中,具有一定的指导意义。     

气动外形优化在大型跨音速飞机上的应用

戴姆勒．奔驰航宇公司研究并发展了商用运输机的机翼设计方案。该商用运输机比任何现行运输机要大得多。     

公务机机翼气动外形优化研究

随着世界经济贸易的发展,轻中型公务机愈发受到客户的青睐。为了进一步提升高速涡扇公务机的总体气动性能,本文采用基于全速势方程（TRANAIR）的流场快速求解方法,集成序列二次规划（SQP）优化算法和类函数/型函数变换（CST）自由变形（FFD）技术,对某轻中型高速涡扇公务机机翼进行多点优化设计研究,并对优化结果进行对比分...     

基于代理模型的气动外形优化

探讨了一种将CAD软件、CFD商用软件与代理模型相结合的飞机气动外形优化方法。重点介绍建立气动分析代理模型的过程,这一过程包括确定设计变量及其取值范围、生成试验设计点、建立参数化几何模型、CFD数值计算、提取气动特性和构造代理模型。通过一个简单的机翼气动外形优化算例验证了这种方法的可行性和有效性。     

高维度气动优化问题的可视化方法

随着高可信度数值分析模型的参数维数的增加和非线性关联度的提高,不但计算量增加,针对二维和三维数据的常规可视化方法也难以直接、全面展示变量与响应函数之间的复杂关系。本文在总结常用低维度数据可视化方法的基础上,结合数据样本和响应面模型,利用MATLAB提供的基础数据分析与显示功能,发展了一种模块化的、复合及动态的可视化方法及工具,该方法可以系统、灵活地展示高维参数空间、多维响应函数空间,以及两者之间的关联关系。在测试函数和翼型气动优化问题上的应用表明该方法有助于提高高维问题的优化效率和质量。     

基于贝塞尔曲面参数化方法的1.5高负荷轴流压气机气动优化

基于贝塞尔曲面参数化控制理论发展了一套高效的轴流压气机全局优化设计方法,通过在优化循环中改变转、静子叶片吸力面几何形状来得到优化解,具有优化变量少、物理直观性强及曲面光滑等优点。以某1.5级高负荷轴流压气机为研究对象,在Isight平台上集成了贝塞尔曲面参数化程序、CFD求解器及多岛遗传算法来对其进行气动性能优化。结果表明:在总压比变化不超过±0.5%、流量不降低的约束条件下,优化后压气机设计点流量增大0.938%,等熵效率提高0.486%,综合裕度拓宽1.361%,验证了全局优化方法的有效性。      

一种新的响应面模型及其在轴流压气机叶型气动优化中的应用

 提出了一种轴流压气机二维叶型的参数化定义方法,该方法使用轴流压气机叶型定义中的常用参数,几何意义明确、不容易产生非合理叶型,利用若干例子说明了该方法在重现轴流压气机二维叶型时的逼近精度。给出了一种新的响应面构造模型,该模型首先认为每个样本其临域内的目标分布函数为正态分布,然后用所有样本的分布函数的线性组合构成整个设计变量空间中的响应面。建立了以该响应面模型为基础的轴流压气机叶型的气动数值优化平台,利用该平台完成了2个轴流压气机二维叶型的气动数值优化。     

导弹头部融合旋成体构型实现及气动优化

为解决扁平导弹头部空间利用率低,天线罩加工困难且电气性能差的问题,采用形状函数变换技术(CST)造型法在其前端融入旋成体,并提出“旋成体埋头角”以实现融合区域光滑过渡。CFD计算得到旋成体弹头、扁平弹头、和“旋成体埋头角”为0°~5°时融合弹头的气动性能,结果表明:旋成体弹头、“无埋头”融合弹头和“有埋头”融合弹头的最大升阻比分别为扁平弹头的8158%、8616%和8946%。以最大升力系数和最大升阻比为目标对“旋成体埋头角”为2°和3°的融合弹头进行优化计算,在Pareto前缘中,随着旋成体末端半径从150 mm增大至210 mm,两构型的最大升力系数分别上升599%和416%,最大升阻比分别下降1996%和1839%。此外,当旋成体末端半径小于165 mm时,上述2°构型的最大升阻较大(峰值可达扁平弹头的9779%),反之上述3°构型构型的最大升阻较大。     

工程约束下基于自由曲面方法的机头气动修形设计

二次曲线由于其良好的几何特征,在传统的飞机建模过程中得到较多的应用,但是单一的控制参数使其外形变化受到限制,而灵活的外形变化恰是NURBS曲线的主要特点。根据飞机设计过程中总体布局要求及人机工效约束条件,采用NURBS曲线曲面方法,使用控制点位置的相对长度与角度为设计参数,在飞机机头参数化建模过程中融入相关的工程约束,通过CFD计算分析,对设计参数进行优化,得到符合要求的模型;并尝试在风挡区域增加一条横向控制线,调节风挡局部区域的气流流动。结果表明,采用NURBS方法可以得到符合设计要求的机头外形,而且对外形的控制更加灵活;增加风挡区域的横向控制线改善了风挡局部区域的气流流动。     

涡轮叶片气动设计软件BladeDesign

涡轮叶片气动设计软件BladeDesign将涡轮气动设计中迭代最频繁的叶栅几何设计、s1流面计算、叶片积叠三个环节集成起来,极大地提高了涡轮部件设计的效率。叶栅型线设计采用目前流行的Bezier曲线,叶栅造型方法充分考虑了工程实际。集成的S1流面计算网格划分采用ANSYS ICEM CFD 11．0,分析采用ANSYS...     

基于B样条的机翼外形参数化方法研究

描述了基于B样条的机翼外形参数化方法在超临界翼型和机翼气动设计中的应用研究。在机翼外形参数化过程中,通过B样条曲线插值和拟合型值点生成机翼截面曲线和展向引导线,采用Coons Gordon方法通过自由放样和点阵插值获得B样条张量积曲面并进行叠加,进而获得插值于机翼表面曲线网的B样条曲面。还运用CFD工具对不同机翼放样面的气动性能进行了分析对比。通过研究,B样条控制点可作为设计变量传递给气动优化程序,采用B样条曲线或曲面表达式为各设计变量的线性组合,可以方便快捷获取几何梯度信息。     

NURBS曲线及节点插入算法在透平叶片优化设计中的应用

将NURBS曲线及节点插入算法应用到透平叶栅的二维参数化造型,可以兼顾造型参数的实际物理意义和型线调节的灵活性;将控制点可调的NURBS曲线应用到三维叶片积叠线造型,能够构造任意形状的弯、扭、掠叶片。在此基础上搭建的透平叶片三维气动优化平台,将参数化造型、网格自动划分、CFD并行求解集成在一起,应用实验设计和响应面分析方法进行多目标寻优。对某单级实验透平分别进行单排叶片和整级优化后,单排叶片总压损失降低了0.57%;单级绝热效率提高了0.8%。     

基于工程环境的气动多目标优化设计平台研究

工程环境中,飞机气动力设计面临在多个目标和多种约束条件下寻找最优值,需在较短时限内完成设计优化,并保证最终方案可靠。基于高性能计算环境,采用现代计算流体力学(CFD)数值模拟技术和优化技术等构建了面向实际工程的飞行器气动多目标优化设计平台:采用基于非均匀有理B样条(NURBS)方法的自由曲面变形技术,实现对工程复杂气动外形的参数化表达;采用网格变形技术,实现优化过程中计算网格的自动更新;采用基于有限体积方法和多块结构网格的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程并行解算器进行气动力求解;采用基于精英保留策略的非支配排序的多目标遗传算法(NSGA-II)进行多目标全局优化求解;采用非线性单纯形算法进行局部优化求解,优化过程中,通过人工调整优化种群,引入人工经验,构建\"人在回路\"的设计流程。以某翼型/机翼气动力优化设计为例对该平台技术进行验证:多目标优化设计可得到清晰的Pareto前沿解分布;优化后的翼型/机翼在满足各项约束的前提下,具备更高的综合气动性能。结果表明:所发展的气动多目标优化设计平台具有很好的工程适用性。     

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...