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。     

响应面拟合法在机翼结构优化中的应用研究

在飞机结构优化设计中,针对循环利用有限元软件寻优耗时大、收敛比较慢的状况,本文采用了一种基于响应面多项式拟合方法对机翼结构进行优化。以某平直机翼为例,该方法从建立机翼结构的有限元模型出发,结合正交试验设计方法,经过对比,采用比较新颖的最大差值极小化法,建立机翼的二次响应面近似模型;在此基础上,以整个机翼结构质量最小化为目标,最大位移和最大应力为约束,把机翼划分为多个区域,选取各区域蒙皮厚度和全部肋腹板厚度为设计参数,建立数学优化模型,用ISIGHT集成MATLAB的方法,采用序列二次规划法进行优化。优化的结果表明,采用该方法对该平直机翼进行优化,在满足机翼刚度和强度的情况下,能有效降低机翼质量,并且避免了多次重复调用有限元软件进行计算,迭代次数仅为34次,优化效率明显提高。     

协同优化在机翼气动／结构一体化设计中初步应用

探讨协同优化方法是否能有效地解决机翼气动 结构一体化设计优化问题。首先对基本的协同优化和基于响应面协同优化二种方法的特点进行了探讨,然后以轻型飞机机翼气动 结构一体化设计为例,着重研究如何用协同优化方法建立机翼气动 结构一体化设计的优化模型。研究结果表明,基本的协同优化算法不能有效地解决该机翼气动 结构一体化优化问题,而基于响应面的协同优化方法在求解这一问题时具有较好的鲁棒性。     

飞行器结构布局与尺寸混合优化方法

针对飞行器结构轻量化设计中的布局和尺寸优化问题，提出了一种高效的混合优化方法。在传统的基结构优化方法中引入尺寸变量，构建结构布局与尺寸混合优化模型，并以遗传算法为基本搜索方法，设计了统一描述0-1型离散布局变量和连续尺寸变量的染色体，建立了结构布局与尺寸混合优化的求解流程。由于种群规模较大，在求解过程中引入了神经网络代理模型，通过预估种群个体的优劣，缩减每一代中需要精确计算的个体数目。以含有55个布局变量和55个尺寸变量的机翼结构优化问题作为算例，验证了该方法的可行性，优化结果相比传统基结构法减重13%,且引入代理模型可使计算成本降低约50%。     

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。     

通航飞机高升力层流机翼优化设计

为了扩展机翼优化设计的工程应用范围,在传统气动优化约束的基础上,考虑结构布置的几何约束,对通用飞机层流机翼进行了设计。首先,采用自由变形(FFD)技术作外形参数化处理;然后,采用NSGA-Ⅱ多目标优化算法,基于Kriging代理模型对某型通用飞机机翼进行了优化设计。设计过程考虑自然转捩工况,采用Menter k-ωSST两方程湍流模型和γ-Re_(θt)转捩模型对设计进行评估。计算结果表明,优化后机翼的巡航和爬升升阻比均有所提高、层流区延长、低头力矩变小,但最大升力系数减小了0.141,失速特性略有变差。     

考虑螺旋桨滑流影响的机翼气动优化设计

涡桨飞机的机翼、短舱等部件在滑流作用下周围的流场特性与无滑流状态下截然不同。所以,应该在涡桨飞机的机翼气动设计过程中考虑螺旋桨滑流的影响,从而使得机翼在真实飞行时滑流作用下表现出更好的气动特性。采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程的多重参考坐标系(MRF)方法对螺旋桨滑流进行高精度准定常数值模拟,通过自由变形(FFD)技术实现螺旋桨飞机机翼的参数化构建,应用径向基函数(RBF)插值的动网格技术进行网格自动生成,获得样本机翼在滑流影响下的气动数据后,建立目标函数和状态函数的Kriging代理模型,结合随机权重粒子群优化(PSO)算法、Kriging代理模型和对应的EI(Expected Improvement)函数加点准则进行加样本点以及代理模型重建,从而建立滑流影响下机翼气动优化设计系统。使用该系统对某型螺旋桨飞机进行了滑流影响下的优化设计,结果表明,优化后的构型机翼和短舱在巡航状态下减阻达3.98counts,升阻比提高了3.325%。因此,建立的考虑滑流影响下的机翼优化设计方法是可行的。     

复合材料加筋盒段结构抗屈曲设计方法

主要研究了一种基于承载效率的机翼壁板结构快速化设计方法,首先,本文按照结构相似、载荷相似、材料相似的准则,对复合材料翼面结构模型进行抽象,拟合并构造出复合材料加筋盒段结构屈曲模型,尽可能还原出机翼壁板的真实受力条件;然后,绘制出筋条支持刚度曲线;最后,利用该经验曲线,进一步总结出一种基于结构效率的复合材料加筋盒段结构的屈曲设计方法,实现复合材料加筋板中加强筋的布局与尺寸优化,并应用于某支线客机的中央翼结构设计中,验证该设计方法的正确性。该种方法主要应用于机翼壁板结构的尺寸和布局优化设计,结合了经验法和代理模型方法,具有效率高、模型小、通用性强等诸多优点。     

基于 Kriging模型机翼平面外形气动优化设计

使用基于Kriging模型的优化设计方法,进行了非常规布局机翼的平面外形多目标优化设计。利用CFD技术进行机翼升力系数和阻力系数的气动计算,通过拉丁超立方试验设计生成样本点,建立了Kriging代理模型,结合多目标遗传算法对机翼平面外形进行多点多目标优化设计,最终得到了Pareto最优解集。根据设计需求,从Pa-ret0前沿选取一个非劣解作为优化结果。结果表明：陆ging模型与cFD计算误差很小,可信度高;在不问设计状态下,机翼气动性能都得到了提高,表明优化设计方法具有可行性和高效性。     

一种面向飞机族的结构优化方法

 飞机族是一组共享通用部件或子系统的、但性能或使用要求不同的相关飞机产品的集合。针对通用模块化飞机族结构优化问题,提出一种基于代理模型的二级优化方法。该方法将结构优化分为两个层次：通用模块结构优化层次和专用模块结构优化层次。这种方法不但流程简单,且各层次的设计变量和约束较少,并且专用模块优化层次之间具有独立性,易于实现并行设计。以某支线客机族的机翼结构优化问题为例,首先阐述飞机族结构优化模型,然后应用本文提出的二级优化方法求解支线客机族的机翼结构优化问题。优化结果表明该方法能成功解决飞机族的结构优化设计问题,能同时优化飞机族中各型号的结构参数。     

亚声速翼身融合无人机概念外形参数优化

为了兼顾翼身融合（BWB）布局无人机（UAV）的气动、隐身和结构重量要求,应用优化方法研究了某亚声速翼身融合无人机概念方案的外形设计问题。外形优化设计流程包括全机参数化几何外形模型、气动分析、机翼根部弯矩计算、雷达散射截面（RCS）分析、代理模型的建立和外形参数优化计算。选择了三种不同优化目标研究翼身融合无人机外形优化问题：①未配平状态升阻比最大;②配平状态升阻比最大;③配平状态升阻比尽量大和机翼弯矩尽量小。通过优化结果的对比分析,揭示了配平约束和机翼弯矩目标对优化设计结果的影响。研究结果表明：计入配平约束能够有效提高配平升阻比;将配平状态升阻比尽量大和机翼根部弯矩尽量小作为优化目标能够获得合理的优化外形。     

高性能计算支持的静气弹优化设计方法

为扩大国产超级计算机在国内航空航天工业领域的应用,面向大展弦比机翼气动结构综合优化设计的实际问题,基于具有大量工业应用和自主知识产权的CFD软件TRIP和CSD软件SiPESC,应用改进的三维类别/形状变换（CST）参数化方法、差分敏度并行计算策略和移动渐近线（MMA）等大规模优化算法,通过TRIP+SiPESC耦合气弹分析软件预测气动载荷,发展了一套机翼型架外形的优化设计方法。以CRM标模内插机翼为例,针对无弯扭的初始型架构型,以气动外形展向几何扭转分布和结构有限元模型一万个壳单元厚度为设计变量,实现1 g载荷气动优化和2.5 g载荷结构优化的综合;在不降升阻比、满足最大应力/位移的约束下,俯仰力矩系数改善近40%,针对本文假设材料和初定的尺寸参数,机翼减重近9%,验证了方法和软件的有效性。该方法直接采用产品级高保真的自主静气弹分析软件预测气动力/载荷,将计算资源耗费大的静气弹优化和设计变量/约束规模大的结构优化分治,有较好工程应用前景。     

基于CST参数化方法气动优化设计研究

翼型及机翼优化设计中,设计变量的个数对优化算法的收敛速度及代理模型的精度有很大的影响.因此,在精确描述翼型的同时,发展较少设计变量的翼型参数化方法对翼型优化设计有着重要的意义.本文基于CST(class function/shape function transformation)翼型参数化方法对Kriging模型的预测精度进行研究,并采用改进的粒子群优化算法构建气动优化设计系统.某亚声速机翼单点减阻设计及超临界翼型的稳健性设计表明该系统具有较高的设计质量,方法可靠,有较高的工程应用前景.     

某型飞机翼盒结构多约束优化设计

将翼盒尺寸设计中多学科设计要求,包括应力、稳定性、气动弹性、变形和制造等要求转化为优化设计过程中和结构尺寸相关联的约束条件,从而将翼盒尺寸多学科优化设计(MDO)问题转化为多约束优化设计(MCO)问题。基于Hyperworks优化设计平台,建立了某型飞机翼盒有限元模型并利用TCL\TK语言将多学科约束嵌入到翼盒尺寸优化设计过程中,定义了多约束优化设计模型。优化设计结果减重7.4%,有效指导了翼盒结构详细设计。     

仿生全翼式太阳能无人机分层协同设计及分析

结合"太阳神"无人机(UAV)和高山兀鹫提出了太阳能UAV的某仿生全翼式构型,针对该构型开展了气动分层协同设计及分析。在设计和分析过程中,自下而上将设计分为三个层次,基于纵向配平需要以低雷诺数反弯内翼翼型设计为第一设计层次,基于高升力需求以外翼设计为第二设计层次,以UAV全机性能设计为第三设计层次;与此同时,每个层次均采用基于代理模型的基本优化流程,三个层次的设计自上而下来相互协同,最终得到满足指标的设计结果。研究结果表明:分层协同设计提高了设计效率,获得了高效的仿生全翼式太阳能UAV构型;证明了设计方法的可行性和设计结果的有效性。     

大展弦比飞机翼身结构不同刚度对结构响应的影响

为了研究大展弦比双机身布局无人机翼身结构不同刚度对结构响应的影响,本文采用有限元分析与满应力优化相结合来探讨这一问题。计算结果表明:机翼与机身之间不同刚度对结构响应存在影响。建议结构设计时注意这一现象并加以利用,从而得到轻量化的结构设计。针对算例进一步计算与分析表明:采用本文方法得到的结构优化方案,同样也能够满足该飞机的静、动气弹要求。结论:采用本文方法,不仅可以研究飞机部件之间不同刚度对飞机结构响应的影响,还可以进行全机的结构方案设计,并对此方案进行刚度、强度、颤振和控制面效率的分析与评估。     

大展弦比联接翼气动/结构一体化设计

联接翼是一种将前翼和后翼连接在一起的飞行器创新布局形式。本文针对联接翼气动与结构一体化的布局概念,基于结构有限元参数化建模、结构优化、试验设计和响应面模型,采用系统级优化算法对其进行了初步的气动/结构一体化设计,所获计算结果对联接翼飞机总体参数的确定具有参考价值。     

飞机翼面结构多级布局优化设计思想及需要解决的问题

机翼结构布局优化问题非常重要,然而目前的布局优化得到的结果距工程实际应用还有一定距离,本文提出了一种可以完成翼面结构布局优化设计及细节优化设计的多级优化思想及需要重点解决的问题。