考虑结构重量的机翼平面形状优化方法

采用工程梁理论对机翼结构进行估算,并结合气动力估算公式、飞行性能估算公式,构建了机翼平面形状优化系统。相比使用经验关系式估算重量的传统方法,考虑了短舱、起落架、燃油、自重载荷的影响,相对精确度较高。针对某宽体客机布局,展开考虑气动/结构重量的平面形状优化设计。采用若干几何特征对机翼平面形状进行参数化,通过气动力与结构重量耦合求解的方法,将气动特性与结构重量转化为飞机起飞总重这个设计目标,并使用遗传算法进行寻优。算例结果较原始构型起飞总重减少约174 kg,表明方法对飞机概念设计阶段快速确定机翼平面形状有一定的参考价值。     

基于多方法协作优化算法的飞机总体优化设计

针对飞机总体优化设计中存在目标函数与变量之间没有显式关系式等问题,在建立包含推进、气动、性能及重量四个学科的飞机总体设计模型的基础上,采用遗传算法、模式搜索法和Powell法结合的多方法协作优化策略实现了飞机总体参数的优化;并对优化方案进行参数灵敏度分析,优化后飞机正常起飞总重较优化前降低11.6%,优化效果显著.分析结果表明了基于多方法协作优化算法的飞机总体优化设计的有效性.     

轻型通用飞机起飞总重估算方法研究

飞机的起飞总重是飞机的重要设计参数,概念设计阶段首先要做的重要工作之一就是确定飞机的起飞总重。以四人座低速活塞螺旋桨飞机为例,采用任务剖面法和商载航程法分别对起飞总重进行了估算,并对两种方法进行了修正,在此基础上,取两个计算结果的平均值作为最终的起飞总重估算值。通过与对比机型的比较,验证修正后的计算方法和结果是准确合理的,为通用飞机起飞总重的确定和选择提供了参考。     

基于Kriging代理模型的运输机机翼多学科优化设计

在传统的飞机设计中,并未在初步设计阶段充分考虑气动弹性问题,难以得到最优设计。在这样的背景下,本文以运输机机翼为研究目标,发展初步设计阶段的机翼气动/结构优化设计方法。采用基于Kriging代理模型的优化方法,在巡航状态下对运输机机翼进行了单点优化设计。气动学科采用全速势方程,结构学科采用Ansys有限元分析,以升阻比和结构重量为目标进行优化设计,初步验证了本文方法的有效性。     

考虑排放影响的飞机多学科优化设计

随着民用航空运输业的发展,飞机对气候环境的影响越来越受到重视。为了满足未来飞机设计中经济性和环保性等指标,有必要在飞机概念设计阶段综合考虑成本和排放的影响。本文使用全球平均温度变化作为衡量飞机排放对气候影响的标准,分析了飞机巡航高度和速度对于排放物的影响。进一步,通过整合气动、重量、成本和排放等学科模型,建立了飞机概念设计阶段的多学科优化框架。基于该优化框架,以机翼平面形状、飞行速度和高度等参数为优化变量,分别以排放最小和成本最低为目标,进行了单目标和多目标优化设计研究。Pareto最优前沿的优化结果显示,单位排放成本的高低会影响成本相对于排放性能的变化趋势。     

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。     

MDO环境下的BWB气动模型及在概念设计中的应用

提出了MDO环境下分析亚音速BWB布局的气动模型建立途径,以升力面理论为基础,修正型阻、波阻与涡升力的影响,来分析非常规布局的气动特性,实现了比传统概念设计方法更高的分析精度和比CFD快得多的计算速度。通过与大展弦比平直机翼和小展弦比三角翼实验数据的对比,验证了分析模型的有效性;并将其应用于一个亚音速BWB布局的概念设计优化过程,实现了基本的气动／结构一体化设计。可靠的分析模型的建立将成为BWB布局飞机多学科设计优化的坚实基础。     

常规布局小型飞行器设计参数优化研究

对以螺旋桨为动力的长航时小型飞行器，在概念设计阶段的设计参数进行了敏感性分析。主要包含三个方面：一是飞机飞行状态，包括巡航高度；巡航速度及巡航升力系数。二是飞机机翼几何参数，包括尖梢比、展弦比和翼型。三是发动机的布局形式。飞机概念设计是在明确了设计要求的前提下开展的。在满足设计约束的基础上，通过对升力面气动特性及相互干扰分析，机翼剖面的设计选择以及升阻力特性的分析，典型部件重量构成的统计分析，计算出不同构型状态下的飞机重量和重心，保持纵向静安定度在合理范围内，通过对飞机有无配平情况下的阻力特性比较，寻求特定高度满足长航时设计要求的设计点。     

支撑机翼跨声速民机的多学科优化设计

弗吉尼亚理工大学(VPI)的多学科分析与设计(MAD)中心采用多学科优化设计(MOD)对一种支撑机翼(SBW)外形的跨声速民机做了较为系统和广泛的概念设计研究。本文介绍了对各学科做近似计算的方法和工具,并将它们集成形成了一种完整的概念设计层次的MOD方法。该方法能实现空气动力和结构/重量的紧密耦合,完成两者间的平衡设计并取得最佳协调。作为工业界伙伴的LMAS对该软件注入了更多实践经验,并评估与验证了该软件。对于能装载325位旅客,巡航飞行Ma=0.85下飞行航程13 890 km的典型飞行剖面,大量优化计算结果表明SBW飞机可比常规飞机起飞总重量(TOGW)轻9.2%～17.4%,燃油消耗少16.2%～19.3%,发动机体积减小21.5%～31.6%,成本降低3.8%～7.2%。同时进行了技术水平和优化约束条件的灵敏度分析研究。所有结果清楚地表明SBW外形是可明显提高飞行性能的未来跨声速民机的一种新型外形。     

民用飞机二维增升装置设计

为满足民机市场对飞机高效、经济的需求,飞机在巡航飞行阶段必须具有飞行速度高、阻力小等特性,具体到气动设计方面,就要求飞机的机翼具有较大的翼载荷,即减小机翼面积以减小阻力,这给飞机起飞着陆阶段使用的增升装置的设计提出更高的要求。运用计算流体力学的方法进行了民用飞机二维增升装置,即多段翼型的设计,得到了良好的设计结果,并验证了在二维增升装置设计过程中采用前缘缝翼外形设计——带前缘缝翼进行后缘襟翼外形设计——前后缘增升装置缝道参数优化——起飞、着陆构型协调的设计路线图的可行性与有效性。     

三维机翼气动结构多学科优化方法

采用Euler方程、连续伴随优化方法、自由形面变形技术（free-form deformation,FFD）以及一种四边形线性壳单元模型对三维机翼气动结构多学科优化方法开展了研究。目标函数为阻力系数和机翼翼盒结构质量的加权和,设计变量为FFD控制点以及10段蒙皮的厚度。气动方面升阻力系数对设计变量的梯度由伴随方法求得,结构方面翼盒质量对于蒙皮厚度的梯度可直接计算,应力的梯度采用有限差分方法获得。对跨声速大展弦比机翼进行气动结构多学科优化,并将该计算结果与机翼气动单学科优化设计后的静气弹计算结果进行对比,结果表明:该气动结构多学科优化方法能够在满足约束条件下,实现阻力系数和翼盒质量同时降低,保证优化结果的合理性。      

水翼型水上飞机偏转机翼布局数值研究

针对水上飞机水面起飞过程阻力峰值较大,提出一种可偏转机翼水翼型水上飞机,飞机水面滑行时偏转机翼割划水面产生水动升力将飞机抬离水面,空中飞行时偏转机翼根据飞行条件可偏转角度。采用空气动力和水动力耦合求解并结合动力学平衡方程方法分析了该布局水动特性并进行空中巡航气动特性分析,同时计算同尺寸双浮筒型水上飞机,比较两种构型水动与气动特性。数值计算结果表明,水面起飞过程中双浮筒型水上飞机总阻力峰值约为水翼型水上飞机偏转机翼布局的1.97倍;飞机空中飞行时,偏转机翼偏转角为0°时气动性能最优且所受阻力低于双浮筒型水上飞机,从而证明了水翼型水上飞机偏转机翼布局能够有效提高水上飞机的水动与气动性能。     

考虑不确定性的飞机总体参数优化方法

由于在各种设计问题包括飞机概念设计中都存在一定的不确定性,因此在总体参数优化时有必要考虑这种不确定性。以大型客机总体参数优化设计为例,定义了考虑不确定性的飞机总体参数优化问题,该问题与传统飞机总体参数优化的区别是要进行不确定性分析。而不确定性分析的计算量过大,为此提出了一种渐进代理模型方法来解决这一难题。在建立代理模型时,通过连续成批地在设计空间的全局和局部均加入新样本点,不断提高代理模型的全局拟合精度,直至获得满意的代理模型为止。然后在优化过程中使用计算量小的代理模型。大型客机总体参数优化问题中含有5个设计变量,目标函数为起飞重量最轻,并需满足4个性能约束。考虑了不确定性后,不仅使目标值（起飞重量）对总体参数变化的敏感度有所减小,而且满足约束（设计要求）概率显著提高。     

盒式布局飞机的纵向气动参数优化研究

采用CFD方法探讨了纵向布局参数对飞机纵向气动特性的影响规律,可为盒式机翼气动布局设计提供参考。示例计算结果表明,盒式布局可减小飞机的巡航阻力,改善气动效率,但是其设计参数的选取需要进行多学科综合设计优化。     

三维数模随动下的机翼结构重量优化

目前,基于快速建模下的重量重心估算系统得到了快速发展。为了进一步提高结构重量估算精度,研究了如何在重量重心快速分析(WCGA)系统环境中构建优化模块。以机翼结构重量优化为例,提出优化流程,对优化模块功能进行分解,给出模型简化要求。以A320飞机机翼为例,对梁和长桁进行优化,结果显示,经过优化,有效减轻了结构重量,且相比于传统的减重优化设计方法,极大提高了计算效率。     

概念设计阶段飞机起飞总重的估算

介绍了概念设计阶段飞机起飞总重估算的思路，特别是按照这种处理问题的思路提供了飞机起飞总重估算所用到的一个公式及其推演过程。公式是着眼于第三代／第四代飞机起飞总重估算建立的，当然适用于该类飞机起飞总重的估算。     

一种实用的运输类飞机机翼/发动机短舱一体化优化设计方法

发展了一套基于遗传算法优化/Navier-Stokes方程分析的运输类飞机机翼/发动机短舱一体化设计方法,提出了一系列保证该方法工程实用性的解决方案,其中包括设计变量模块化、局部优化全机分析、超临界压力分布约束条件等。通过采用适当的计算网格、并行算法及数值方法,使得基于遗传算法优化/Navier-Stakes方程分析设计方法的运算时间在工程上能够接受。运用该设计方法对下单翼运输类飞机机翼/发动机短舱一体化设计开展了单点优化和两点优化,结合二者结果对比验证了该方法的有效性和工程实用性。单点优化得到的机翼压力分布呈现无激波特点,阻力系数随马赫数变化比较剧烈;两点优化得到的机翼压力分布为弱激波形态,阻力随马赫数变化比较缓和,所设计的机翼具有更好的鲁棒性和工程实用性。     

基于近似技术的协同优化方法在机翼设计优化中的应用

将多学科设计协同优化方法与近似技术相结合,实现某机翼涉及结构和气动两个学科的设计优化。在对某机翼的协同优化设计中,采用基于均匀设计的二次响应面技术得到近似的协同优化模型,利用基于动态松弛近似的协同优化得到合理的结果。研究表明,将协同优化方法与近似技术相结合,能够有效地解决复杂工程的设计优化问题。     

基于工程的跨声速机翼两步优化设计方法

以跨声速机翼设计中权衡气动性能和总体设计要求的工程应用为出发点,在保证机翼结构重量和容积不变的约束下,提出了平面形状优化与剖面翼型优化结合的两步优化设计策略.应用神经网络和遗传算法,建立了相应的设计方法.采用两步优化方法进行跨声速机翼设计,第一步设计中,通过平面形状优化,增大机翼展弦比、减小诱导阻力是机翼气动性能改善的...