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。     

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.     

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。     

基于代理模型的高效全局气动优化设计方法研究进展

基于高可信度计算流体力学的数值优化设计方法，在提高飞行器气动与综合性能方面正发挥着越来越重要的作用。基于代理模型的优化算法（SBO），由于能够实现高效全局优化，逐渐成为了气动优化设计领域的研究热点之一。近20年来，代理优化算法研究已取得了长足进步，多种先进的新型代理模型被提出，优化理论和算法也不断完善和发展。以飞行器精细化气动优化设计为背景，综述了基于代理模型的高效全局气动优化设计方法研究进展。首先，介绍了基于变可信度代理模型的气动优化设计方法、结合代理模型和伴随方法的气动优化设计方法以及基于非生物进化的并行气动优化设计方法的研究现状和最新进展。然后，针对飞行器气动优化设计学科领域的前沿问题，介绍了基于代理模型的多目标气动优化设计方法、混合反设计/优化设计方法、稳健气动优化设计方法的研究进展，以及基于代理模型的多学科优化设计方法的研究进展。文献综述表明，代理优化算法在设计效率、全局性以及鲁棒性等方面性能优良，已经发展到可以解决100维（100个设计变量）以内的气动优化设计问题，具有良好的工程应用前景。最后，探讨了基于代理模型的高效全局气动优化设计在理论、方法及飞行器设计应用方面所面临的问题和挑战，给出了未来研究方向的建议。     

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。     

基于神经网络的翼型优化设计方法研究

针对气动外形优化设计中,气动特性计算可信度要求与巨大计算量之间的矛盾,采用一种基于神经网络构建适用于气动外形优化设计的气动特性计算模型的计算方法.同时,以神经网络近似模型来代替原有的流场数值计算气动分析程序,结合基于遗传算法建立的气动外形优化搜索方法,建立了一种新的翼型优化设计方法.实际翼型优化设计算例表明该方法有效减少了计算量,提高了工作效率,可以获得具有高可信度的设计结果.     

螺旋桨的数值优化设计

本文提供一种螺旋桨气动设计的数值优化方法。作为优化基础的气动性能计算部分,采用了 Goldstein理论为基础的片条理论,计算结果与实验数据比较表明,性能计算方法是可用的。数值优化采用的是混合罚函数法。利用本数值优化方法对两个已有的螺旋桨重新进行了优化设计。结果表明,在最高效率点附近,效率随桨叶几何参数的变化比较缓慢;同时取弦长和扭角作为设计变量可以设计出比单独取扭角为设计变量时弦长更短的螺旋桨,从而可减小桨叶重量和提高螺旋桨的巡航效率。      

基于响应面方法的风力机叶片多目标优化设计研究

运用基于响应面方法的优化设计技术,于径向使用NPU-WA-风力机专用翼型族的某1.5MW水平轴风力机叶片的多目标、多约束优化设计研究中。风力机气动性能使用基于叶素-动量理论的风力机性能分析和设计软件PROPID51。设计变量为叶片径向外形参数,包括弦长和扭转角分布,但是相对厚度保持不变;设计目标为年发电量和功率系数的最大化;在多目标优化中,使用"统一目标函数"法将多个设计目标函数通过加权求和统一到一个目标函数中。为减小计算量,响应面模型使用不含二阶交叉项的二阶多项式模型;构建模型中试验点的选择满足D-优化准则。以某1.5MW变速变矩型风力机叶片为例,进行了优化设计研究。叶片径向使用西北工业大学翼型研究中心设计的NPU-WA-风力机专用翼型族,使用CFD计算的气动性能数据作为输入进行了设计,分析了目标函数的权值分配对设计结果的影响;使用风洞测量自由转捩的气动性能数据进行了设计并分析了表面光滑条件对气动性能的影响。     

民航客机最佳机翼面积的优化方法

分析了民航客机燃油效率的影响因素,将气动阻力进行分解,推导出了以巡航效率为优化目标的最佳机翼优化方法。算例表明,无论是在飞机的方案设计阶段,还是在详细设计阶段,方法都是适用的。方法不仅可用于最佳机翼面积的优化工作,在详细设计阶段,还可用于检验飞机的气动优化设计是否偏离飞机的优化目标,以及检验飞机的最佳巡航航程指标是否与最佳燃油效率匹配。     

基于控制理论和NS方程的气动设计方法研究

研究了基于控制理论和NS方程的气动设计方法,针对给定的目标函数表达形式,应用该设计理论在计算坐标下详细推导了相应的共轭方程及边界条件具体表达形式,以及梯度方程求解表达式,通过合理的数学变换,导出了共轭方程在笛卡尔坐标系下的直观表达形式,发展了有效的共轭方程数值求解方法,通过流动控制方程数值求解、共轭方程数值求解、目标函数对设计变量的梯度求解和优化算法等方面的有效结合,研究与发展了一种新的气动设计方法,以二维机翼气动设计为例,成功进行了亚、跨音速情形下的相关设计算例研究,研究结果表明应用控制理论和NS方程的气动设计方法在设计理论、适用性以及时间花费等方面都有着很好的特色和优点,且设计结果也更为可靠.     

自由旋涡气动窗口喷管设计研究

根据超声速自由旋涡气动窗口的实现原理以及相关气动设计理论,推导出气动窗口的质量流率公式,得到影响气动窗口质量流率的几个因素,研究了自由旋涡气动窗口喷管设计过程,利用特征线方法设计非对称喷管,得到气动窗口的喷管型面。最后对气动窗口喷管进行了初步数值模拟,模拟结果表明利用特征线方法设计喷管是可行的。     

基于参数辨识原理的飞机参数分析及算法研究

提出一种在飞机概念设计中基于参数辨识理论的设计参数分析方法。在给定的设计重量和任务剖面要求下,利用基于物理的运动方程和动力学方程模型辨识出飞机气动力参数,并在总体性能评估的基础上进行设计参数分析,给气动设计提供了设计参考;在辨识过程中针对参数可行域离散度很高使得很难收敛到Pareto解的问题,提出了将神经网络预测模型融合到遗传操作过程,使得尽量在可行域内搜索。最后通过对某客机进行算例分析,表明基于辨识理论的参数分析方法和改进的算法是合理和可行的。与一般经验公式方法相比,该方法对布局类型的限制较小,在满足概念设计参数分析准确度要求的条件下能够为下一步的气动设计提供设计指标。     

导弹气动特性在亚跨音速下的风洞试验研究

在导弹的设计过程中,导弹的气动特性作为重要因素直接影响导弹飞行的动态品质。在亚跨音速段气动特性呈现剧烈非线性的情况下,工程估算以及CFD数值计算方法所能提供的气动计算精度有限,导致对舵效特性的辨识精度较低,需要进一步采用风洞试验的方法精确计算气动参数,进而确定导弹的舵效。本文应用风洞试验方法研究导弹飞行马赫数在亚跨音速段对导弹气动特性的影响。研究结果表明：亚音速时导弹的气动特性基本一致,跨音速时发生剧烈的非线性变化;导弹的俯仰舵效先增加后减小,滚转舵效先减小后增大。结论对导弹控制律的设计以及后续的工程型号研制有参考价值。     

航空发动机气动声学设计的理论、模型和方法

根据对飞机噪声控制技术历史发展演化过程的总结分析，研究了民用航空发动机气动与声学一体化设计的目标、方法、流程、理论模型和发展趋势等。基于对航空发动机气动设计过程的分析，给出了航空发动机气动与声学一体化设计的流程和方法。分别从“发动机总体热力循环设计”“发动机部件通流设计”“发动机部件三维详细设计”等三个流程，介绍了航空发动机声学设计理论和技术国内外的发展情况，详细论述了发动机气动声学设计的理论、模型和方法，分析了目前航空发动机声学设计理论的主要问题及未来的研究重点，并以具体发动机设计实例分析了不同设计阶段航空发动机的气动与声学一体化设计方法思想。     

超/高超声速飞行器动态稳定性导数极快速预测方法

飞行器设计早期阶段需要预测大量工况下的动导数。本文发展了一种面向超/高超声速飞行器的动导数极快速预测方法：首先基于当地流活塞理论,将飞行器进行小幅非定常运动所受到的气动力分为受自由来流引起的无附加扰动项以及受物面变形或运动引起的附加扰动项;通过当地表面斜度法、激波后等熵关系求解物面当地流动参数,进而结合非定常运动规律求出飞行器所受非定常气动力;再采用待定系数法对非定常气动力进行提取、辨识,最终得到超/高超声速飞行器动导数。该方法克服了传统方法对CFD流场参数的依赖和耦合,具有极高的计算效率;同时典型算例验证表明,该方法在超声速、高超声速工况下都能够很好预测动导数变化趋势。将该方法应用于复杂外形飞行器动导数预测,并讨论了与CFD方法的误差来源。本文方法可作为高速飞行器总体设计阶段布局选型的工具。     

高速直升机涵道风扇矢量推进系统模型悬停状态的气动力测量研究

为了提高直升机的飞行速度,出现了用涵道风扇矢量推力系统取代常规的尾桨和尾翼的复合式高速直升机.然而,涵道风扇矢量推进系统各部件间相互作用很复杂,从理论上确定涵道风扇矢量推进系统的气动特性尚有相当难度,为了研究涵道风扇矢量推进系统气动特性,利用涵道风扇矢量推进系统试验模型,通过试验实测该系统在轴流状态的气动力及舵面偏角和设计参数对系统气动力的影响,得到了一些涵道风扇矢量推进系统所特有的气动现象,其结果可作为理论建模的依据.     

一种减小再入飞行器侧向气动非线性的布局优化方法

为改善升力式再入飞行器在跨声速段出现的侧向气动特性非线性问题,发展了一种基于Kriging代理模型的自适应迭代气动布局优化方法.设计了一种常规升力式再入飞行器布局,计算了该布局在跨声速段的侧向气动力,分析了可能影响侧向气动特性的机翼布局参数.根据气动布局优化流程,计算了气动布局样本气动特性,建立了布局参数到侧向力矩系数...     

基于XML语言和代理模型的翼型通用气动数据库技术

建立翼型气动数据库对翼型的选择和设计具有重要的意义。本文基于一种建立翼型通用气动数据库的思想,介绍该数据库的基本框架和基本功能;该数据库采用一种基于可扩展标记语言的通用数据格式进行存储,包含翼型几何特性数据、不同流动状态下力系数、物面压力分布等各种气动数据,并且还可提供灵活多样的数据处理功能;采用代理模型和变可信度模型技术,实现气动数据快速检索和插值功能。通过DU93-W-210翼型算例初步表明如何实现气动数据生成和快速插值,从而初步展示了所提出翼型气动数据库技术的可行性。     

高效粒子群算法研究及飞翼无人机气动隐身优化设计

针对飞翼布局无人机气动隐身多目标优化设计问题,以无人机翼面为设计对象,开展气动、隐身多目标优化设计研究。采用FFD方法实现飞翼布局的参数化表达;分别采用基于雷诺平均N-S方程的计算流体力学方法(CFD)及大面元物理光学法(LEPO)配合一致性几何绕射理论(UTD)计算边缘绕射场的RCS分析方法计算飞翼布局无人机的气动、隐身性能;选择结合基于动态超体积期望改善(EHVI)加点的动态Kriging代理模型与ASMOPSO算法的高效多目标粒子群算法对飞翼布局无人机进行综合寻优设计研究。在较少的调用真实目标函数的情况下,获得了比较优秀的Pareto前沿,通过对所选解的分析比较可知优化后的飞翼布局无人机在气动及隐身方面均优于原始构型。     

倾转旋翼桨叶空气动力学/结构动力学多学科优化设计研究

采用了多学科设计优化方法, 根据涡流理论建立了倾转旋翼桨叶空气动力学分析模型, 利用CATIA, ANSYS和ADAMS等软件分析倾转旋翼桨叶结构动力学特性, 采用iSIGHT多学科设计优化软件集成空气动力学和结构动力学分析模型, 建立起倾转旋翼桨叶空气动力学/结构动力学多学科设计优化系统, 进行多学科设计优化研究.并以倾转旋翼机XV-15的桨叶为算例, 进行设计优化, 结果表明提出的倾转旋翼桨叶空气动力学/结构动力学多学科设计优化方法是可行和有效的.