基于响应面法的跨声速机翼气动优化设计

响应面法由于其高效、实用的特点,近年来在优化设计领域受到越来越多的重视。本文将响应面法引入到气动数值优化设计中,完成了跨声速机翼单、多目标多约束气动优化设计。该方法采用D优化准则在设计空间内选择一系列样本点,通过求解三维Euler方程进行气动数值试验,来建立二次多项式响应面模型,并在此基础上得到优化的气动外形。以M6机翼为原始机翼的单、多目标多约束优化设计算例表明:采用的响应面法能够较好的捕捉在跨声速流动中目标函数的非线性特征和消除流动中的高频噪声;响应面模型精度满足设计要求,计算误差均小于3%,因而保证了设计方法的实用有效。对于单目标机翼阻力优化设计,阻力系数减少了19%左右。     

基于NURBS和梯度法的飞艇形状优化

采用非一致有理样条曲线(NURBS)作为飞艇外形参数化方法、基于梯度的优化方法、飞艇体积作为约束条件、飞艇的阻力系数作为目标函数的优化流程对平流层流动条件下的飞艇外形进行了优化.阻力系数通过求解二维黏性不可压缩流场获得,阻力不但包含了形状阻力也包括了黏性阻力.优化过程以LOTTE飞艇的形状为初始形状,优化的结果表明优化后飞艇的气动性能明显改善,阻力系数有了比较明显的降低.优化的结果也同时证明了该方法适用于飞艇的优化命题.      

战斗机后体流场数值模拟与减阻优化设计

采用数值计算方法模拟零迎角跨声速来流下战斗机后体流场,并进行后体外形的减阻优化设计。通过数值求解二维轴对称Navier-Stokes方程、k-ωSST湍流模型和气体组分方程,研究战斗机后体绕流与尾喷流相互耦合的流场特性,对三种欠膨胀喷管压比下的喷流进行数值模拟,同时对比多组分气体喷流和理想气体喷流对后体阻力的影响。采用梯度法对轴对称后体外形进行减阻优化设计,提出一种优化设计加速算法,其基本思路是通过逐步增加设计控制点个数并根据外形曲率合理分布设计控制点的位置,从而改善梯度法的优化效率。计算结果发现,超声速喷流会在后体尾部附近形成复杂的波系结构;与组分气体喷流相比,采用理想气体作为喷流介质时的后体阻力系数略高;在跨声速来流状态下,后体阻力系数值随喷压比的增大而减小。优化结果显示,优化后的的后体阻力系数可以降低13%左右;与一次性均匀分布优化控制点的梯度法优化方法相比,采用提出的优化加速算法可以缩短优化计算时间40%左右,并且可以提高优化设计的精度。     

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。     

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。     

基于近似模型的空心弹气动外形数值优化

作为一种新型超声速弹药,空心弹具有阻力小、精度高等优点,在航空与防空弹药领域具有广阔的发展前景。本文以课题组前期研究的某30mm空心弹为例,基于四阶多项式响应面近似模型,综合运用UG、ICEM CFD、FLUENT、MATLAB等软件,结合单纯形法,以最小阻力系数为目标对空心弹的气动外形进行了优化,得到了α=0°、Ma=3.0条件下的空心弹最小阻力系数及气动外形参数,该阻力系数与前期数值模拟研究结果相同。在此基础上,以最小阻力系数为目标对α=0°与4°、Ma=2.5~4.0条件下的气动外形进行了优化,得到了相应外形参数的变化范围。另外,利用Kriging近似模型和NSGA-Ⅱ优化算法等,并以最小阻力系数和最大升阻比为目标,对α=4°、Ma=3.0条件下的空心弹气动外形进行了优化,得到了相应的优化外形。与初始弹形相比,优化后空心弹的气动阻力明显减小。本文验证了近似模型可用于空心弹气动外形优化设计,可为相关工程应用与研究提供重要参考。     

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。      

转捩对平流层飞艇外形优化的影响

采用梯度算法优化了平流层飞艇外形以减少气动阻力,目标函数飞艇总阻力系数通过求解Navier-Stokes方程获得.优化过程中采用了SSTκ-ω转捩湍流模型和Realizable κ-ε全湍流模型求解绕流流场,采用大涡模拟方法详细分析了获得的两种飞艇外形的气动性能和特点,并且比较了两种湍流模拟方法的流场求解对梯度法优化的目标函数以及飞艇形状特点的影响.结果表明:是否考虑转捩对优化的结果有明显的影响,考虑转捩优化方案的气动性能明显优于全湍流流动求解优化方案.采用转捩模型的优化由于层流区域的存在改变了飞艇尾部的形状,从而获得了尾部分离区较小的飞艇外形轮廓.      

高空飞艇螺旋桨优化设计与气动性能车载试验

结合某高空飞艇螺旋桨的总体设计方案要求,完成螺旋桨的优化设计以及气动性能车载试验.采用叶素动量理论作为螺旋桨气动性能的计算方法,并通过风洞试验验证了该方法的可靠性.结合遗传算法对螺旋桨的弦长和扭转角进行了优化,使螺旋桨更加高效轻质,优化后螺旋桨设计点的气动效率增加了2.3%.建立螺旋桨车载试验测控系统,可以改变试验海拔高度和大气参数,得到优化设计螺旋桨不同工况的气动性能.试验结果表明,相同转速和来流条件下,海拔越高,螺旋桨的推力和扭矩越小.海拔为3-6km时,全尺寸高空飞艇螺旋桨计算推力和扭矩与试验结果的平均相对误差分别为2.8%和9.2%,两者基本吻合,从而验证了高空飞艇螺旋桨车载试验的准确性.      

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。     

基于遗传算法的翼型气动优化设计

采用遗传算法进行跨声速翼型的反设计与阻力和升阻比的优化设计。翼型的反设计达到了设计要求,优化设计后的翼型其气动特性也有显著的改善,这表明了遗传算法应用于翼型气动优化设计的可行性。在优化设计的过程中,翼型由解析函数线形叠加法表示,目标函数和个体的适应值由二维欧拉方程的流场解来提供。     

平流层飞艇尾部形状对气动阻力的影响

为了研究平流层飞艇尾部动量边界层厚度与尾涡结构,应用LES(大涡模拟)方法计算了零攻角工况下飞艇绕流场,并对LOTTE和M-LOTTE两种飞艇进行了对比分析.采用Q分布和涡量描述回转体尾涡结构,根据Q分布可以确定M-LOTTE飞艇较LOTTE飞艇尾部分离区显著减小;并分析了回转体的轴对称曲面动量边界层厚度对飞艇气动阻力的影响,随着飞艇尾部厚度逐渐减小,动量边界层厚度逐渐增大,M-LOTTE飞艇尾部动量边界层厚度明显小于LOTTE飞艇.飞艇尾部动量边界层厚度分布说明了M-LOTTE飞艇的总阻力系数较LOTTE飞艇降低17.2%的原因,同时也表明飞艇尾部形状对飞艇气动阻力影响较大.      

吻切锥乘波构型参数化设计与正交试验分析

为了获得外形控制参数对吻切锥乘波构型性能的影响程度,通过分析吻切锥乘波构型的生成特点和生成方法,在其参数化设计的基础上,运用正交试验设计方法分析了各个控制参数乘波构型性能的影响,确定了对气动性能和容积率影响较大的参数,为进一步合理确定优化空间和优化策略提供指导。运用CFD方法对典型外形进行了性能分析,结果显示:吻切锥乘波构型具有较高升阻比,下表面中心区流动均匀,可为高超声速飞行器机身/进气道一体化提供参考。作为应用,基于正交试验结果设计了以吻切锥乘波构型作为前体的一个高超声速飞行器,验证了设计方法的合理性。     

类C-HGB布局锐边化气动隐身优化设计

C-HGB （Common Hypersonic Glide Body）作为美国现今试验成功率最高的高超声速滑翔飞行器已被美国防部列入重点发展项目，并预计发展为三军通用武器。本文针对此类"球+双锥+弹翼"的气动外形和隐身性能进行了研究。采用考虑交互作用的正交设计进行了多约束下参数敏感性分析，并采用改进的基于DE差分变异算子的具有自适应学习机制的优化算法进行气动优化，对优化后的外形采用简单高效的锐边化设计，在提高升阻比的同时可降低雷达散射截面积，极大提高突防能力。锐边设计改变了弹体部分表面温度分布，降低制造成本的同时对热防护系统的设计和红外隐身具有一定积极意义。结果表明：锐边化设计可以得到较好的气动隐身性能，是未来高超声速滑翔飞行器的潜在设计方案。     

多变量气动设计问题分层协同优化

 通过验证实例分析,气动设计中精细化优化模型对设计结果收敛精度的提高有很大帮助,但同时也带来优化算法搜索困难的问题,并且由于不同类型设计变量之间的相互耦合干扰使优化难以收敛到全局最优解。于是提出基于响应均值灵敏度的概念对大规模的设计变量进行重要性分组的策略,依据设计变量分组情况应用系统分解思想对多变量设计问题进行分层协同优化来降低系统的复杂度,这既保证了精细化设计的要求,又缓解了优化算法对大规模问题搜索困难的问题。与传统气动优化方法相比,基于系统分解的分层协同优化算例有较大寻优效率和性能提升,证明了该方法的可行性。     

高超声速ISR平台乘波外形优化设计及需求验证

对乘波构型在高超声速ISR平台气动外形设计上的应用问题进行了研究。基于高超声速ISR平台的总体参数,对锥导乘波体进行了参数化几何建模。以升阻比和容积率为优化目标,采用正交试验设计方法、非线性回归模型和粒子群算法对锥导乘波体进行了多目标优化设计。选取Pareto前沿中的4个特征点作为高超声速ISR平台的初步气动外形,采用数值计算方法对其进行了性能分析,并对设计需求进行了初步验证。研究结果表明:上下表面"双凸"、两侧近似机翼的乘波体在保持较高升阻比的同时又具有较大的容积率,满足航程、载荷和起飞重量等设计指标的需求,可用于高超声速ISR平台气动外形设计。由于航程指标值较大,对燃油结构质量比的要求较高。     

高超声速内收缩进气道分步优化设计方法

提出了基准流场与唇口平面形状分步优化的高超声速内收缩进气道设计方法。基准流场以反射激波不均匀性最小和总压恢复最大进行多目标优化设计,使用结合Tayler-Maccoll方程的有旋特征线方法(MOC)进行流场计算,获得双拐点母线内收缩锥基准流场。进气道唇口形状以沿流线积分(Streamline Integral Method, SIM)获得的进气道无黏阻力最小为目标进行优化设计,获得类椭圆形唇口平面形状。针对优化设计结果进行数值模拟,与传统直母线基准流场相比,双拐点母线基准流场反射激波后流动不均匀性下降40%左右,总压损失减少35%左右,总体性能提升明显。类椭圆唇口进气道在设计点的单位质量流量无黏阻力相较于圆形唇口降低6%,具有良好的压缩特性和气动效率,能够减弱进气系统对飞行器气动性能的不利影响。研究结果表明该方法是一种高效且实用的高超声速内收缩进气道设计方法。     

Light weight optimization of stratospheric airship envelope based on reliability analysis

A stratospheric airship is an essential flight vehicle in the aviation field. In this paper,optimal design approach of stratospheric airships is developed to optimize envelope shape considering three failure modes and multidisciplinary analysis models, and could also reduce the mass of a stratospheric airship to be deployed at a specific location. Based on a theoretical analysis, three failure modes of airships including bending wrinkling failure, hoop tearing failure and bending kink failure, a...