直接操作FFD技术在翼型气动优化设计中的应用

几何外形参数化技术在飞行器的气动外形优化设计以及多学科优化设计中是影响其结果和效率的重要因素之一。针对自由变形技术(FFD)无法直接操纵几何外形表面指定点位移的局限性,开展了直接操作FFD技术在翼型参数化及翼型气动优化设计中的应用研究。建立了由翼型表面控制点的位移反求各个FFD控制点位移的求解模式,有效地降低了高阶FFD控制体进行翼型参数化的参数个数,并且具备直接操纵翼型几何外形的能力,更具物理直观性。运用该技术对于跨音速翼型进行了气动减阻设计,显著减小了设计状态下翼型的阻力。     

基于多输出高斯过程的超临界翼型优化

提出了一种基于多输出高斯过程(MOGP)回归模型和模拟退火算法相结合的翼型优化方法。采用拉丁超立方抽样方法在设计空间内构造一系列样本点,其中优化设计采用CST参数化方法对翼型的几何外形进行参数化表示。通过CFD流体计算得到其响应值来建立初始的MOGP代理模型。以阻力最小化为设计目标,考虑面积、升力等约束条件。通过单点优化和多点优化试验表明,发展的翼型优化设计方法达到了优化设计的目的,同时也说明基于MOGP模型的优化设计方法在气动优化设计中的应用是可行的。     

CFD在概念-初步设计阶段三维气动外形优化中的应用

在飞行器概念-初步设计阶段,建立基于CFD的气动优化链对于提高优化计算的效率具有较好的工程应用价值。使用德国宇航院开发的CPACS数据格式给出飞行器平面形状,结合NURBS翼型参数化方法对飞行器几何外形进行参数化;自动生成计算网格并求解Euler方程数值模拟流场以评估参数化气动外形的气动特性,进而构建响应面模型;使用SQP梯度算法搜索响应面模型以获取满足约束的最优解。以Onera M6机翼为例,对该优化链进行验证。结果表明:在满足约束的条件下,基于CFD的气动优化链能够成功地进行气动外形优化。     

考虑工程约束的高可信度气动外形优化设计

实际气动设计中遇到的工程问题较为复杂,然而能够用于实际工程设计的高可信度气动外形优化设计工具较少.基于飞行器设计工程实际中的各种复杂气动约束和几何约束要求,集成高可信度非结构网格RANS方程求解器、弹簧比拟网格变形技术、FFD外形参数化、RBF代理模型、粒子群优化器,构建多设计点气动外形优化设计工具,并应用于先进低速层流翼型和高亚声速超临界机翼的气动外形优化设计中(包括单设计点和多设计点),进行考虑/不考虑气动约束和几何约束的气动外形优化设计分析.结果表明:多设计点气动外形优化设计工具有效,约束条件和智能优化器自动有效地引导了层流翼型和亚声速机翼外形的有利改变.     

基于分层策略的翼型多参量气动优化设计研究

与基于梯度的优化方法相比,遗传算法因其极强的鲁棒性、随机搜索及优化结果全局性等特点在工程优化中得到越来越广泛的应用。为提高优化设计的效率,改进了传统的遗传算法,采用并行分层策略基因遗传算法开展了翼型多参量气动优化设计研究,包括翼型和多段翼型的基因编码、外形参数化,以及动网格技术。结果表明,并行分层策略在得到较优气动优化结果的同时,极大地缩短了优化时间,提高了计算效率,具有广阔的工程应用前景。     

基于CATIA VB二次开发的机翼几何外形参数化建模研究

对于机翼参数化建模方法,利用Visual Basic进行CATIA二次开发,实现机翼的外形参数化建模。本文着重对基于CST的翼型参数化建模方法进行了研究,在生成的界面中输入相应设计参数:根弦长、翼展、前缘后掠角、后缘后掠角、翼型数据文件和翼型参数,如控制点处翼型上下表面相对厚度等。通过运行编写的Visual Basic的程序,自动在CATIA中生成机翼外形模型,从而实现了机翼模型的快速自动生成和修改,为CFD软件进行机翼气动分析和对机翼与翼型进行气动外形优化提供模型。     

垂直轴风力机翼型气动优化设计

对小型垂直轴风力机常用的NACA0015翼型进行优化设计,使其具有更优的气动性能。在优化过程中,利用CST参数化方法对翼型的几何外形进行扰动,选取翼型的厚度及弯度作为约束,翼型切向力系数作为目标函数,以基于非支配排序的遗传算法（NSGA－II）作为优化方法,最后建立优化流程,优化过程中利用XFOIL程序结合Viterna-Corrigan失速后模型计算优化前后翼型的气动性能。结果表明,与NACA0015翼型相比,优化后的翼型气动性能有了较大提升,最大升力系数提高了6．63％,最大升阻比提高了27．5％,最大切向力系数提高了22．7％。     

基于DFFD技术的翼型气动优化设计

开展了直接操作自由变形（DFFD）技术在翼型参数化及翼型气动外形优化设计中的应用研究,应用该方法可以对翼型形状进行直接操纵和精细的局部修型,从而在一定程度上克服了自由变形（FFD）技术无法直接指定几何外形变形量的局限性。通过最小二乘模式根据翼型表面直接操作点的位移求解各个FFD控制点相应的位移,将翼型设计参数从FFD控制点转化为翼型表面的直接操作点,从而有效地减少了高阶FFD控制体进行翼型参数化时的设计参数个数。算例表明,相比于FFD方法,DFFD方法不仅具备直接操纵翼型几何外形的能力,更具物理直观性,并且比FFD方法具有更好的局部变形特性。运用该技术结合遗传算法对RAE2822翼型进行了气动减阻设计,显著减小了设计状态下翼型的阻力,并且可以有效施加如前后梁位置翼型厚度等工程实用的几何约束,证明了该方法的有效性。     

基于Kriging模型的翼型多目标气动优化设计研究

在翼型气动优化设计中引入Kriging代理模型,发展了一套高效、稳定的气动优化设计程序。采用拉丁超立方试验设计方法在设计空间内构造一系列样本点,通过求解二维可压缩的雷诺平均NS方程（RANS）得到其响应值来建立初始Kriging模型。优化设计采用Hicks-henne函数对翼型几何外形进行参数化表示,以阻力极小化为设计目标,考虑面积、升力、力矩等约束条件,通过算例证明,发展的优化设计方法不仅可行,而且具有高效稳定的特性。与传统的优化设计方法比较,大大减少了设计时间。     

基于FFD与网格重构的飞翼无人机外形优化设计

为了使气动优化适应外形大尺度变化和外形高效参数化的需要,将外形高效参数化建模方法(FFD)与适合外形剧烈变化的网格重构方法相结合,对飞翼无人机外形完成了气动优化设计。外形参数化建模采用自由变形法(FFD),网格生成基于贴体笛卡儿自动网格重构技术,通过优化设计使飞翼无人机的气动性能得到了有效提升,布局升阻比增加了7.9%。优化结果表明,基于该技术的气动优化设计方法对大尺度变化外形具有良好的适应性。     

基于遗传算法多段翼型外形优化设计

为提高多段翼型增升效能,开展襟翼外形和缝道参数同时优化设计研究。优化算法采用遗传算法,以求解RANS方程为气动特性分析方法,通过椭圆方程控制生成多段翼型外形,同时优化缝宽、搭接量、襟翼偏角等位置参数和襟翼外形控制参数,实现多段翼型优化设计。设计实践表明,与只优化位置参数相比,同时优化襟翼外形和位置参数得到的多段翼型有更大的升力系数,方法是可行的,具有一定的工程应用前景。     

大展弦比前掠翼气动隐身多目标优化

前掠翼布局优越的气动性能为无人机气动布局设计提供了一条新的方向。采用CST方法对翼型几何外形进行参数化描述,实现前掠翼气动和隐身多学科优化设计模型的参数化描述。建立了基于N-S方程的计算流体力学方法的前掠翼气动分析模型和基于矩量法的计算电磁学方法的前掠翼隐身分析模型。提出了基于Kriging模型的前掠翼气动隐身多目标优化方法,采用拉丁超方试验设计方法获取样本点,建立前掠翼气动和隐身的Kriging代理模型。将Pareto多目标遗传算法与Kriging代理模型结合进行大展弦比前掠翼的气动隐身多目标优化设计。研究结果表明,所建立的分析模型是合理的,所提出的多目标优化设计方法是可行的,能够有效提高大展弦比前掠翼性能与优化效率。     

基于改进CST参数化方法和转捩模型的翼型优化设计

为提高翼型优化设计效率,增大设计空间,采用B样条基函数替代传统的形状类别函数(CST)方法中的Bezier多项式,增强了对翼型参数化表达的局部控制能力并提高了翼型局部表达精度。为了确保翼型在优化设计过程中的几何光顺特性和代理模型的准确性,采用小波分解技术提出了多分辨率翼型的局部光顺方法。采用基于本征正交分解(POD)的流场数值代理模型,并结合γ-Reθt转捩模型实现了快速准确的气动力与流动转捩预测。采用小波技术光顺的CST翼型参数化建模、POD流场数值计算代理模型以及γ-Reθt转捩模型,结合遗传算法建立了完整的翼型气动优化设计系统。针对低速层流翼型与超临界翼型进行优化设计,优化设计后的翼型升阻比分别提高了47.42%和45.85%,且对改进前后参数化建模方法的优化性能进行了对比,结果表明本文构建的翼型气动优化设计系统具备很高的优化效率。     

ARI_OPT气动优化软件研究进展及应用综述

针对飞行器气动外形精细化设计需求,为提高设计效率和设计质量,基于数值优化设计技术发展了气动优化设计工具ARI_OPT。ARI_OPT包含气动外形参数化、网格自动变形、高逼真度数值模拟、代理模型、高效优化算法等模块,分别简要介绍了各个模块基本的基本原理和方法及单个模块的验证结果。给出了ARI_OPT针对数值函数算例的功能验证结果和宽速域翼型、多段翼型和飞翼布局机翼等典型单目标和多目标气动外形优化问题的应用算例,表明了其可靠性和适用性。     

飞翼布局隐身翼型优化设计

针对飞翼布局设计中气动与隐身设计矛盾更为突出的问题,采用高精度气动和隐身计算方法,建立了基于Parsec参数化方法、径向基函数（RBF）神经网络、Pareto遗传算法和松散式代理模型管理方法的翼型多目标优化设计平台。根据飞翼布局内外翼不同功能和特点,确定了内外翼翼型不同的优化设计目标和约束条件,开展了兼顾气动与隐身性能要求的翼型综合优化设计研究。结果表明：对兼顾气动与隐身性能要求的飞翼布局,内翼段翼型主要通过弯度、前缘半径、尾缘角及厚度等设计,减小低头力矩和重点方位角的雷达散射截面（RCS）均值。外翼段翼型上表面的几何形状对跨声速气动效率的影响很大,应通过上表面设计提高跨声速气动效率,重点方位角RCS均值的减小则通过下表面设计实现。某些翼型参数对气动和隐身性能均有较大影响,但作用相反,应作为综合优化设计的主要设计参数,并采用不同的优化设计策略。Pareto方法给出的前沿阵面可为飞翼布局的三维设计提供更丰富的信息。     

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.     

基于CST参数化的翼型优化遗传算法研究

用外形建模的CST参数化方法,构建翼型几何可直接利用其后缘角、前缘半径等几何特征,其控制参数更能反映翼型特有的气动敏感性,有助于遗传算法搜索寻优。基于这一参数化方法,结合遗传算法,构造了用于翼型优化的设计方法。算法中,CST控制参数作为设计变量,采用二进制编码,并通过引入精英策略,提高了遗传算法的收敛性能。算法适应度评估涉及的流场求解则采用了基于Jameson有限体积法的Euler方程解算程序。先以NACA0012翼型为例,以其某一已知的表面压力分布为目标,进行了遗传算法的重构运算,给出了重构的翼型几何外形,验证了方法。在此基础上,进行了带约束的跨音速翼型优化设计,给出了升力系数极大化和阻力系数极小化等设计算例,展示出翼型优化设计的效果。     

低雷诺数翼型的气动外形优化设计

对翼型参数化方法Parsec和Hicks-Henne型函数系列方法,进行了低雷诺数翼型的参数化描述研究。分析了低雷诺数翼型气动优化目标设置特点,确定改进的Hicks-Henne型函数作为翼型的参数化描述方法。从基于功率因子最大的角度出发,结合Kriging代理模型和遗传算法的运用,进行了低雷诺数翼型的气动外形正优化设计。引入传统高雷诺数翼型的多点优化方法,进行两组不同速度域、两种不同加权系数下的多点优化,优化速度域最大范围15m/s,并结合翼型的单点优化进行研究。结果表明:多点优化更适用于低雷诺数翼型的气动优化;如果某多点优化翼型功率因子均值提高29.54%、力矩系数方差降低27.79%,有利于飞行航时和稳定性提高;多点优化具有较好的工程应用价值。     

基于遗传算法的翼型多目标气动优化设计

采用遗传算法实现了单/多目标情况下NACA0012翼型的气动优化设计。绕翼型的外部无粘流场解采用基于非结构网格的显式时间推进Jameson有限体积方法。遗传算法采用二进制编码,通过外部调用流场解算器对种群适应度函数进行评估。为提高计算效率,使用了动弹网格技术以及使得优化程序可以从任一进化代继续计算的中间进化结果存储技术。优化参数为翼型气动型面,分别以给定来流条件下的升力系数、阻力系数作为优化目标进行了单目标优化设计,并以此为基础,结合博弈论中的Nash博弈,实现了升力系数和阻力系数的多目标优化设计,得到了优化结果。分析表明,该方法具有较高的计算效率,能够给出更优的翼型气动性能,具有一定的实际工程应用前景。     

超声速翼型气动优化设计

首先分析了几何外形和相对厚度对超声速翼型气动特性的影响。基于遗传算法(GA)和气动力快速工程算法,对于相对厚度为3.5%的多边形翼型进行优化设计,多边形翼型的优化外形趋于四边形,最大厚度点后移到翼型弦线的60%左右,随着迎角或者马赫数增大下翼面会变薄,上翼面变厚,最大厚度点相应稍有后移。对于相对厚度为4%的双圆弧翼型,采用两步优化设计方法,第1步优化结合基于B样条的类别形状函数变换(CST)参数化方法与小波分解方法,实现几何外形的局部控制与光顺处理,并且采用本征正交分解(POD)代理模型降低优化过程中流场计算的工作量;第2步优化采用基于Navier-Stokes方程的最速下降法(SDA),修正第1步优化中代理模型和小波光顺引入的误差;优化设计得到的翼型近似为四边形,其相对厚度最大点后移到翼型弦线的60%~65%处,升阻比可以提高7%。