吸气式空空导弹外形多学科一体化优化设计

针对采用整体式固冲发动机的吸气式空空导弹外形气动与推进耦合的推阻匹配设计难题,引入多学科优化设计方法提出了一种综合考虑气动/推进/质量/弹道的导弹外形多学科一体化优化设计技术。其中,气动性能预测采用代理模型技术,主要基于外形参数化建模、非结构网格技术和流场精细数值计算来自动构建气动数据库,据此建立了包含外形几何信息的气动预测代理模型,并对其预测精度进行了验证;推进性能预测采用推进求解模型,该模型根据固冲发动机理论建立,精度满足工程要求。对所建立的学科预测模型完成一体化集成后,以质点弹道仿真评估的战技指标为优化目标,对一款吸气式空空导弹进气道和翼面外形进行了优化设计,取得了推阻匹配的优化外形,优化后导弹动力射程提高10%。所提出的一体化优化设计技术,有助于吸气式空空导弹外形气动与推进耦合推阻匹配设计和提高导弹动力射程。     

复杂积冰翼型气动性能分析

为了克服复杂外形难以划分结构化网格的问题, 采用结构/非结构混合多块网格对复杂积冰翼型的气动性能-进行了分析计算.在靠近积冰边界的内层采用了非结构网格, 在非结构网格外采用结构化网格以节省存储空间和计算时间.不同类型网格之间采用了点点对接的方式以简化通量重构的处理方式.整个流动区域采用SST湍流模型, 求解了雷诺平均N-S方程.数值计算结果表明结构/非结构混合多块网格在复杂积冰翼型气动性能计算上的可行性, 积冰对翼型的气动性能造成了严重的影响.      

应用混合网格分析复杂积冰翼型气动性能

通过发展一种点-点对接的结构/非结构混合网格生成方法,避免了复杂积冰外形难以划分结构化网格的问题,并对复杂积冰翼型的气动性能进行了分析计算.在靠近积冰边界的内层采用了非结构网格以拟合复杂的边界,在非结构网格外采用结构化网格以节省存储空间和计算时间.为了检验网格对选用湍流模型的影响,整个流动区域分别采用SST和SA湍流模型,求解了雷诺平均N-S方程.数值计算结果表明SST模型更适于模拟复杂分离流动,积冰对翼型的气动性能造成了严重的影响.     

基于非惯性系的悬停状态旋翼CFD/CSD耦合气动分析

旨在提高先进旋翼气动特性的分析精度,在旋翼高精度CFD分析中耦合气动弹性效应,取代传统方法中的刚性桨叶假设,并考虑悬停状态旋翼流场准定常的特性,在非惯性坐标系下建立了一套适合于悬停状态旋翼气动特性计算的CFD/CSD耦合分析方法。旋翼气动载荷通过求解三维Navier-Stokes方程求得,空间离散及通量计算采用Jameson中心格式,时间方向则选用五步Runge-Kutta迭代求解,湍流模型采用B-L模型;基于Hamilton原理建立了描述旋翼弹性运动的非线性微分方程,针对旋翼悬停状态的工作特点,采用Raphson迭代方法求解获得旋翼桨叶的弹性变形量。在CFD/CSD耦合计算中,旋翼桨叶交接面载荷及变形信息通过CFD与CSD模块进行传递,同时为提高桨叶弹性变形后贴体网格生成的效率和质量,采用基于网格点坐标转换的网格变形方法。在CFD和CSD程序分别验证基础上,采用建立的旋翼CFD/CSD耦合分析方法计算了先进的UH-60A直升机旋翼的表面压强及气动载荷。计算结果表明,与刚性旋翼CFD模拟结果比较,本文建立的CFD/CSD耦合分析模型可以更准确地预估旋翼气动载荷和性能。     

不同机翼优化构型的轻质F4模型气动特性实验研究

采用光固化快速成型技术（SL）加工基于气动/结构耦合分析的六套不同机翼优化构型的轻质F4模型,在0.6m跨超声速风洞完成了马赫数0.6-0.85范围内的气动力测量试验。试验结果表明,采用气动/结构耦合优化设计的代号为6#的轻质F4模型升力特性与国外结果较接近,与机翼三维变形的事实吻合,验证了采用的气动/结构耦合优化设计方法基本可行,为探索模型静气动弹性风洞试验数据修正方法提供了参考。     

叶栅流场中的气动阻尼研究

从气动阻尼产生的机理出发,建立合理的气动阻尼模型;利用动网格技术,结合等效模态气动阻尼比的计算式,以Rotor37跨声叶栅为例,用弱耦合方法数值计算得到一弯、一扭与弯扭耦合模态的气动阻尼比,并考虑流场压力水平及叶片振幅对气动阻尼的影响.计算结果表明,在保证进出口压比不变的情况下,气动阻尼与压力成线性关系;在小振幅下,气动阻尼基本与叶片振幅无关.      

CRM-WBPN风洞试验模型数值模拟

基于雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程和多块对接结构网格技术,采用亚跨超CFD软件平台（TRIP 3.0）,研究了共同研究模型（CRM）风洞模型支撑装置对CRM翼/身/架/舱（CRM-WBPN）模型压力分布及气动特性的影响。构造了一个包含小、粗、中、细网格的4套网格,并进行了网格收敛性研究,在升力系数为0.50条件下,开展了固定升力系数下模型支撑对CRM-WBPN模型和CRM-WB模型压力分布及挂架短舱阻力增量的影响,以及不同来流迎角下模型支撑对CRM-WBPN模型气动特性的影响。通过与NASA国家跨声速风洞设备（NTF）试验结果和CRM-WB模型数值模拟结果的对比分析,表明模型支撑对固定升力系数下挂架短舱阻力增量影响较小;在计算构型中考虑模型支撑的影响,引起升力系数和阻力系数下降、俯仰力矩系数增加,数值模拟结果更加接近相应的试验结果。     

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。      

悬停状态直升机桨叶扭转分布的优化数值计算

建立了一套基于高精度计算流体力学(CFD)技术和代理模型优化算法的旋翼气动外形设计方法。在该方法中,旋翼流场气动性能的计算采用了基于Navier-Stokes/Euler方程的CFD方法,并根据流场特点、精度和效率的要求采用Baldwin-Lomax(B-L)湍流模型,通量计算采用Roe-MUSCL格式进行。为提高网格生成质量和便于流场控制方程的求解,将流场分成两个区域,即围绕旋翼的黏性区和无黏的背景网格区。其中,桨叶网格使用了基于二维翼型网格的参数化方法生成,数值计算结果表明该方法有效地提高了网格生成质量及效率。在参考旋翼流场及桨叶细节流动分析的基础上给出设计变量及范围,有效减小了优化问题的规模;为满足优化和机理分析的需要,将基于置换遗传算法优化的拉丁超立方(PermGA LHS)方法和径向基函数(RBF)的代理模型优化方法引入到桨叶外形的优化设计中。首先以Helishape 7A旋翼为算例,检验了数值模拟方法的准确性。然后,应用所建立的优化方法针对旋翼负扭转分布进行了优化计算,结果表明优化后的旋翼悬停气动性能比优化前有了明显提高。     

气动力/热与结构多场耦合试验模型方案初步设计

以多渠道、多机制交叉耦合为热防护结构特点的新一代高超声速飞行器必须采用气动力/热与结构多场耦合计算方法进行研究。目前,国外已建立较完善的耦合分析系统并用于飞行器研制,国内的中国空气动力研究与发展中心(CARDC)也已自主研发了热环境/热响应耦合计算平台(FL-CAPTER)。为验证多场耦合计算平台所用方法的有效性和计算结果的准确性,设计并开展气动力/热与结构耦合的地面试验具有十分重要的意义。本文结合气动力/热与结构多场耦合试验设计需求,以现有材料和设备能力为依托,开展了试验风洞选取、模型尺寸估算、模型材料选择、模型气动设计与模型结构设计工作。初步研究表明,模型支撑结构附近迎风面局部高温热膨胀将有利于模型前体结构产生可观的整体变形量。本文以此设计了带压缩拐角的二级压缩面结构模型,通过短时间不锈钢模型验证试验和计算对比分析初步验证了模型设计的可行性,并以此为基础预测了高温合金模型的试验结果。为下一步开展高温合金长时间风洞试验奠定了技术基础。     

Aeroacoustic and aerodynamic optimization of propeller blades

It is of great significance to develop a high-efficiency and low-noise propeller optimization method for new-generation propeller aircraft design. Coupled with free form deformation method, dynamic mesh interpolation technology, optimization algorithm, surrogate model, aerodynamic calculation and aeroacoustic prediction model module, the integrated aerodynamic and aeroacoustic design method of propeller is built. The optimization design for the six-blade propeller is carried out. The non-reduction in efficiency, thrust coefficient and the minimum of aerodynamic noise is treated as the optimization design objective. The spatial vorticity distribution of the propeller before and after the design is also analyzed by using unsteady computational fluid dynamics method. The results show that the optimized propeller can effectively reduce the aerodynamic noise level. The maximum total sound pressure level can be reduced by 5 dB without reducing its aerodynamic performance. The developed method has good application potential in low-noise optimization design of propeller and other rotating machinery.     

扑翼机翼气动力和惯性力对翼杆结构变形研究

通过有限元方法探究了机翼上气动力和惯性力对结构变形的影响.研究表明扑翼机翼产生的气动力和惯性力大小在同一量级.机翼惯性力对机翼结构变形具有不可忽视的影响.当机翼处于水平位置时机翼气动力对结构变形贡献最大,同时合力产生的最大变形也出现在机翼水平位置.仿生扑翼机翼结构变形研究为高升力、低能耗扑翼机翼的设计提供了理论指导.      

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。     

飞机机身着陆滑跑动态性能分析

飞机着陆滑跑过程中,机身结构将受到地面较大的冲击作用和振动激励。为预判结构局部危险部位,给结构强度设计提供参考,需对机身着陆滑跑过程中的动态性能进行分析。创新性地考虑了飞机滑跑速度和气动力的变化,计算得出飞机在着陆滑跑过程中较准确的气动力和起落架力,为有限元计算提供了可靠的外载输入。为降低计算规模,应用Patran合理设置约束条件,建立半机体有限元模型。最后将外载荷添加到半机体模型上,提交Nastran计算,提取机身各站位处的载荷响应峰值,做出动响应包线,预判结构局部危险部位,如机翼和机身框架连接处,为结构强度设计提供参考。     

自由涡轮叶片/轮盘耦合振动特性分析

自由涡轮是航空发动机的关键部件,其工作环境非常恶劣,承受着离心载荷、热载荷、气动载荷及振动载荷等的复合作用。利用UG软件对某型自由涡轮2级涡轮轮盘/叶片进行3维实体建模,导入ANSYS构建其耦合振动分析的有限元模型,以静强度分析中的模型为基础,考虑温度场和离心载荷的影响,计算出涡轮叶片/轮盘不同转速下的动频。从Campbell图可见,涡轮叶片/轮盘在工作转速下没有发生共振的危险,该型涡轮设计合理。     

气动载荷压心外移对机翼结构重量的影响

以某型飞机机翼气动分布载荷和结构重量为基础,研究气动载荷压心外移对机翼结构重量的影响,得到了气动压心外移量与机翼结构增重之间的函数关系。这个结论可以为其他型号的民机机翼设计提供参考依据。     

一种基于有限元法和弹性接触理论的齿轮啮合刚度改进算法

提出了一种将有限元法和弹性接触理论相结合的齿轮啮合刚度计算方法.该方法利用子结构法提取齿面原始柔度矩阵并分离出接触点弯曲变形,根据线弹接触变形解析公式计算接触变形,通过求解非线性变形协调方程得到齿轮时变啮合刚度和齿面载荷分布.以一对齿轮副为例,计算的啮合刚度与航空标准计算结果相差在6%以内.该方法发挥了有限元法在预测物体整体变形方面的优势,同时结合弹性接触理论能够准确计算局部接触变形的优点,与常规有限元法相比,能够有效地提升计算效率.由于接触变形问题的非线性,啮合刚度随总啮合力增加呈现非线性增大的趋势.      

一种CFD/CSD耦合计算方法

针对柔性大展弦比机翼气动弹性分析和主动弹性机翼(AAW)设计发展了一种计算流体动力学(CFD)和计算结构动力学(CSD)的耦合计算方法。其主要思想是采用在同一物理时间弱耦合求解CFD/CSD技术。气动力采用非定常N-S方程的双时间有限体积求解技术,结构响应则采用有限元数值求解技术。CFD和CSD耦合计算的边界信息(气动力和网格)由所设计的界面程序传输。网格信息传输采用守恒体积转换(CVT)方法将CSD计算结构响应位移插值到CFD网格点上。变形已有的CFD网格技术用以确定CFD的变形网格。以位移或载荷的迭代误差为判断耦合计算的收敛标准。最后得到了机翼在Ma=0.8395,α=5.06°时CFD/CSD耦合计算的收敛值。针对计算结果分析了机翼受静气动弹性过程中结构响应和气动特性随时间变化的效应。初步研究结果表明:这种弱耦合方法求解非线性气动弹性问题是可行的。     

带后缘小翼的旋翼振动载荷计算

建立了考虑弹性桨叶、刚性小翼的旋翼气动弹性分析模型和旋翼载荷计算方法.以广义质量和广义力的形式描述小翼惯性力和气动力对系统的影响,以非定常/动态失速模型计算剖面气动力,结合基于实验数据修正的组合气动模型计算带小翼部分的剖面气动力,集成大变形桨叶模型考虑弹性变形的非线性,以力积分法计算桨叶剖面振动载荷.通过计算分析与实验结果相比较,验证了建立的气动弹性模型和载荷计算方法.结果表明:建立的桨叶结构模型精度很高,气弹模型能够准确预测旋翼的振动载荷,挥舞弯矩平均误差控制在9.1%,使用修正的小翼气动模型能有效提高小翼运动时桨叶振动载荷的计算精度.