翼面结构/颤振主动控制律一体化设计

在气动弹性领域内对结构 /控制一体化设计作了初步的探索与研究。针对采用加速度传感器的气动伺服弹性模型 ,建立了在拉普拉斯域中颤振速度对结构设计变量及控制设计变量的解析导数表达式。同时也建立了奇异值对结构设计变量的解析导数表达式。对一矩形机翼以输出反馈的形式进行了结构 /控制一体化设计。目标函数为结构重量最轻 ,满足闭环系统颤振速度和以奇异值为基础的鲁棒稳定性指标约束 ,取得了较好的计算结果     

一种面向工程的气动弹性剪裁技术

以COMPASS为平台研究了蒙皮铺层主方向角对机翼气动弹性的影响,以及采用不同形式的多项式函数表示蒙皮厚度的方法,分析了设计变量的敏度计算方法,并运用优化的方法对两个复材机翼结构进行了位移、频率、发散和颤振速度约束下的剪裁设计,获得了结构响应与主方向角的变化曲线和机翼表面的厚度分布等高线.研究结果表明本方法拓宽了复材机翼的设计手段,具有广阔的应用前景.     

气动弹性剪裁中的设计变量和约束导数

1.前言 设计变量的取法和约束导数的计算,不但影响气动弹性剪裁的结果,而且决定着它的工作量。本文对于两种不同的设计变量取法进行了讨论。在约束导数计算方面,通过一个盒段模型和一个三角翼模型的计算,进行了对比。     

大展弦比复合材料前掠翼气动弹性分析与优化

对具有不同前掠角和蒙皮偏轴角的大展弦比复合材料机翼进行了气动弹性建模与计算,以分析前掠角和蒙皮偏轴角对这类结构的静、动气动弹性特性的影响。使用遗传／敏度混合优化算法对几种典型前掠角和蒙皮偏轴角情况下的机翼进行了气动弹性优化设计研究,在满足强度、位移、发散速度和颤振速度等约束条件的前提下,以机翼各部件复合材料铺层的厚度为设计变量,对结构进行重量最小化设计。此外,还分析了蒙皮和突缘的铺层厚度沿展向变化的函数的幂次对优化结果的影响。     

基于子结构法的大型结构数值敏度计算技术

针对大型结构直接精确敏度分析方法解方程规模大、求解时间长的问题,发展一套基于有限元子结构法的处理技术。大型结构中,数值敏度计算的伪载荷仅与涉及设计变量的结构单元有关,因此存在大量零元的可能性。根据此特点通过节点重排将与设计变量有关的节点位移排到总位移列阵序的后面,按重排后的顺序投放刚度矩阵,然后对其进行区域分块,并聚缩得到规模较小的矩阵。算例计算表明:利用此矩阵求解结构位移场的导数,不但保持了精确法的精度,而且在优化设计的敏度计算中,这些较小规模的数据又被多次使用,从而显著提高计算效率。     

基于MPI的大规模变量结构优化技术研究

针对大规模变量结构优化问题,研究了基于虚载荷法的位移敏度求解理论,提出了惩罚函数随优化迭代次数自适应变化的二次扩展内罚函数法,并结合牛顿法作为优化算法.采用MPI并行技术实现了敏度求解的局部并行计算,解决了大规模变量结构优化技术中的规模和效率问题.采用FORTRAN语言在HAJIF2013系统上对上述方法编程实现,实例表明,优化方法能够快速、稳定收敛到最优解,以及基于虚载荷法的位移敏度解析求解理论的高效性和准确性.     

用直观准则法的飞机翼面结构多约束优化计算

本文介绍应用直观准则法的翼面结构多约束优化计算程序SAFDOP。本程序可以分别对应力、位移、颤振和静气动弹性进行分析、优化和综合优化计算,采用约束轮换法进行综合优化计算。除应力约束采用满应力法外,其他各约束都采用均匀导数准则。为了实用,采用以元素链重量作为独立设计变量及在优化计算中自动筛选设计变量等方法,并考虑了初始数据的自动生成。用本程序计算了典型的歼击机机翼,取得了可以实用的结果。     

控制结构变形的复合材料层合板铺层优化设计

提出了一种基于梯度的复合材料结构优化方法，把层合板中材料一致、角度一致的单层集合的厚度作为设计变量，推导了结构刚度矩阵关于设计变量的导数，计算了结构重量和变形对设计变量的导数，采用牛顿一序列无约束规划法搜索优化问题的最优解。最后，运用提出的方法对某复材平尾结构进行了满足位移约束的重量最小化设计。     

翼尖连接机翼布局弹性气动力探讨

翼尖连接机翼(Joined Wing)布局将后掠的前翼和前掠的后翼在翼尖处用端板相连,后掠翼和前掠翼互相依存,克服平直机翼的局限,提高飞行临界M数,减小诱导阻力,抑制前掠翼的发散倾向.但是该布局的设计参数选择需要气动,结构强度,气动弹性等多学科综合分析,多学科设计优化还需要提供相对于气动设计参数的敏度.探讨了一种翼尖连接机翼布局包含发散速压和变形在内的刚性和弹性气动特性,以及对气动设计参数的敏度,可供该布局的多学科设计优化参考.     

多控制面飞行器结构与配平鲁棒气动弹性优化方法

基于遗传算法,提出了一种考虑多控制面飞行器结构参数和配平关系中的不确定性的鲁棒气动弹性优化方法,并在一个带有主动气动弹性机翼(AAW)的复杂小展弦比飞机的结构和控制面传动比的鲁棒设计中得到了应用.以非概率形式来衡量设计变量的不确定性变化,采用单目标函数形式,并引入一个反映目标函数相对变化的额外约束来描述鲁棒优化问题.在...     

一种计及静气动弹性变形影响的跨声速机翼气动优化设计方法研究

耦合流场控制方程和结构静平衡方程求解得到大展弦比跨声速弹性机翼气动性能,分析研究了结构静弹性变形对气动载荷的影响.在此基础上以机翼典型剖面外形和机翼型架外形为设计变量进行了基于控制理论的跨声速弹性机翼气动优化设计方法研究,实现了在真实飞行条件下考虑静气动弹性变形影响的大展弦比跨声速弹性机翼一体化优化设计.优化设计算例结果表明所发展的方法是成功的,优化得到的弹性机翼在满足升力系数约束条件下提高了升阻比.     

基于耦合伴随方法的串/并行气动结构优化设计对比

采用RANS方程、线性有限元分析手段、映射点局部插值方法和逆距离动网格技术对气动和结构之间的耦合现象进行了分析。然后基于气动结构耦合伴随方法,对气动和结构设计变量梯度进行了高效求解。最后结合自由曲面变形技术、梯度优化方法构建气动结构优化设计框架。选取飞翼布局民用客机开展气动结构串行与并行优化设计研究。在相同阻力水平的前提下,并行优化结果比串行优化获得了8.4%航程收益和8.3%结构质量收益。同时,串行优化设计结果在中翼段上翼面仍然存在明显激波,而并行优化结果呈现光滑的等间距等压线分布特征。因此并行气动结构优化设计方法可以充分挖掘气动结构耦合下的设计潜力,更有利于对大柔性气动结构优化设计问题进行研究。      

模态选取对静气动弹性分析的影响

静气动弹性研究中关于结构的分析通常采用柔度法和模态法。相比技术成熟、计算量大的柔度法,模态法具有阶次低、求解快和便于试验验证的优点。但其作为近似的分析方法,在工程应用中需要一定的经验,尚缺乏模态选取的准则,该研究的目的是为模态法的工程应用提供模态选取的定量评价标准。针对某典型飞行器进行升降舵效率、副翼效率及气动导数弹性修正等分析,提出模态影响系数的概念来评估模态的选取对这些气动弹性分析的影响。结果表明,模态影响系数指标合理,能够反映模态选取对静气动弹性特性的影响,可以作为模态法中模态选取的定量评价指标。     

Aeroelastic two-level optimization for preliminary design of wing structures considering robust constraints

An aeroelastic two-level optimization methodology for preliminary design of wing struc- tures is presented, in which the parameters for structural layout and sizes are taken as design vari- ables in the first-level optimization, and robust constraints in conjunction with conventional aeroelastic constraints are considered in the second-level optimization. A low-order panel method is used for aerodynamic analysis in the first-level optimization, and a high-order panel method is employed in the second-level optimization. It is concluded that the design of the abovementioned structural parameters of a wing can be improved using the present method with high efficiency. An improvement is seen in aeroelastic performance of the wing obtained with the present method when compared to the initial wing. Since these optimized structures are obtained after consideration of aerodynamic and structural uncertainties, they are well suited to encounter these uncertainties when they occur in reality.     

考虑气动弹性约束的机翼结构布局优化设计

提出了一种气动弹性约束下的复合材料机翼结构布局优化设计方法.机翼内部翼梁的数目与机翼各部件的尺寸被统一来考虑,拓扑变量和尺寸变量由一个双层循环机制的优化程序来统一处理.第一层,使用蚁群算法来处理拓扑设计变量;第二层,使用NASTRAN的Sol200优化程序来处理尺寸变量,同时考虑强度、刚度、颤振约束,并将第二层的优化结果反馈给第一层以催生出更优的结构布局方案.最后,使用基本的颤振优化(没有调整结构布局)与本文方法对某前掠机翼进行了布局优化设计,并将结果进行了对比.结果表明,综合考虑各种设计约束下,结构布局形式对结构质量有重要影响,应予高度重视,同时证明了本文方法的正确性与可行性.     

刚弹耦合飞行器的机动载荷减缓

针对飞行器刚体/弹性模态耦合作用下的机动载荷减缓问题,运用亚音速非定常空气动力学理论以及分析力学原理,建立了柔性飞机机动载荷分析及控制的气动弹性模型,分析了飞机作纵向机动飞行时结构弹性对机动飞行参数的影响。数值分析结果表明,结构弹性模态对飞机机动过程的影响不容忽视。为了有效减缓机动载荷,运用最优控制理论,采用多组控制面联合偏转的作动方案,设计机动载荷减缓最优控制律,实现了对飞机纵向机动载荷的控制。研究结果表明,提出的机动载荷减缓控制方案是有效的。     

Flexible aircraft model identification for control law design

The large commercial aircraft, developed today by manufacturers, are characterized by a high flexibility which results in a stronger interaction between the flight control system and the structural modes. The active control of the first elastic modes is needed to meet the performance requirements. This paper proposes an identification methodology of a flexible aircraft from flight test data, which is appropriate for control law design with modern control techniques (LQG, H2/H∞). In a first step a procedure based on Eigensystem Realization Algorithm (ERA) is used to determine an initial aeroelastic model which is subsequently combined with a linearized rigid-body model and optimized by an output-error minimization method. Two application examples show the good performances of the approach.     

复材机翼气弹特性工程化设计分析技术

本文在静气弹的基本原理分析基础上,发展了机翼气弹特性工程化设计方法：基于参数化的机翼气动弹性模型,研究了复合材料机翼整体蒙皮重要设计参数对舵效、静变形和静强度的影响,采用变参分析方法进行了灵敏度分析,获取影响舵效的关键参数变化趋势,用以指导舵效气动弹性剪裁优化设计。对优化设计结果进行了工程化的处理并进行校核,获得了工程可用的蒙皮铺层设计方案,在改善舵效使其满足飞机性能要求的同时,还获得了满意的减重105 kg（总质量的14%）效益。