基于控制论隐式约束的翼型跨音速减阻优化设计

采用基于梯度的优化方法来研究气动外形优化设计问题,其梯度的计算是通过求解伴随方程得到,与传统的差分法和遗传算法相比计算量大大减小.采用一种全新的隐式约束处理方法:约束自动地满足而且设计状态不改变,因而程序设计也相对简单高效.给出的算例也达到了预期的优化设计目标.     

基于N-S方程和离散共轭方法的气动外形设计

快速准确的目标函数梯度计算方法是基于梯度信息的优化设计的关键技术之一。采用离散共轭方法计算目标函数关于设计变量的梯度,流动控制方程为三维N-S方程。对于离散共轭方程和流动控制方程均采用LU-SGS方法时间推进求解。检验了离散共轭方法计算梯度的准确性,利用该方法进行了机翼的优化设计与反设计,都获得了较好的结果。算例证明了本文方法可靠性好,效果令人满意。     

旋翼翼型多目标多约束气动优化设计

为了克服传统旋翼翼型优化设计方法的不足,发展了一种基于Kriging模型与遗传算法的旋翼翼型多目标多约束气动优化设计方法。采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程的数值模拟获得样本翼型气动性能,并建立目标函数和状态函数的Kriging模型,采用遗传算法搜索Kriging模型最小值和相应的EI(Expected Improvement)函数最大值,更新Kriging 模型直至找到满足约束的最优翼型。运用加权目标函数法进行了旋翼翼型的多设计点优化设计。优化结果表明,优化后旋翼翼型在满足约束的同时,与基准旋翼翼型OA209相比:在悬停状态下,阻力系数下降了2.1%;在机动状态下,最大升力系数提高了4.2%;在前飞状态下,阻力系数在不同马赫数下均有所减小。     

叶栅离散伴随气动优化设计

正叶栅气动优化设计是一个具有复杂约束环境的多变量、非线性、多目标优化问题。基于控制理论的气动优化设计方法,因其在求解目标函数对设计变量的梯度时引入了伴随系统,又被称为伴随方法。与传统的梯度求解方法相比,伴随方法的优势在于其梯度的计算量与设计变量数目无关,计算目标函数对所有设计变量的梯度只需计算一次流场和一次伴随场,且伴随方程是线性偏微分方程,远不及流动方程复杂。其中,离散伴随方法因其伴随方程及边界条件     

具有随机不确定性的机翼颤振优化

针对不确定性参数在颤振优化分析中的影响,提出了一种含颤振约束的、具有随机不确定性的机翼气动弹性优化设计方法.在MSC.NASTRAN平台上建立了结构的动力学模型、采用ZAERO程序进行了非定常气动力计算与颤振分析,用响应面方法计算了隐式失效功能函数,以重量最小为设计目标,对包含颤振概率约束的复合材料机翼进行了优化设计....     

翼身融合背撑发动机布局的动力短舱设计

为了解决翼身融合（BWB）背撑发动机布局的飞机-发动机流动干扰问题,依据BWB流场特征,提出背撑式动力短舱设计思想：采用轴对称短舱,结合可以减小短舱外部流动对机体影响的外罩型面和满足进气效率要求的进气道型面设计。基于本文构建的动力短舱参数化建模方法和多点优化设计方法,开展兼顾内外流的短舱综合优化设计研究,最后对设计方案安装状态流场进行分析。结果表明：提出的设计方法可以给出具有不同内外流气动特性、满足BWB背撑式发动机动力短舱多点设计要求的设计方案,巡航状态短舱外表面和全推力状态进气道最大马赫数最大可减小8.35%和11.81%,优化结果在最大推力和侧风起飞状态也具有良好的进气道性能;动力短舱安装状态消除了高速巡航飞行状态下短舱和机体之间的强激波和后体流动分离,低速大迎角状态机体外流能够为发动机提供均匀稳定的进气,进气道总压恢复系数满足设计要求。     

民用客机机翼/机身/平尾构型气动外形优化设计

针对典型跨声速民用客机的机翼/机身/平尾构型开展了基于离散伴随技术的气动外形优化设计方法研究,并采用自由型面变形(FFD)技术在优化设计过程中进行平尾的整体偏转,以实现最终设计结果全机俯仰力矩配平。采用基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的离散伴随技术求解气动参数对设计变量的梯度,使梯度求解计算量与设计变量个数实现解耦,提高了优化效率。应用FFD技术对全机构型进行整体参数化,可通过FFD控制体控制机翼外形的变化以及平尾偏转,在实现机翼优化设计的同时通过偏转平尾来进行力矩配平,避免了单独优化机翼外形可能带来的额外配平阻力。采用序列二次规划算法进行基于梯度的优化设计并处理大规模的约束条件。以Drag Prediction Workshop IV Common Research Model作为初始构型进行了有/无力矩配平约束的优化设计,并在优化过程中施加升力约束以及几何约束。算例结果表明,优化后的气动外形显著改善了机翼表面压力分布,消除了激波,在力矩配平约束下的算例中,通过平尾的偏转实现了俯仰力矩配平下的机翼优化设计。     

基于非结构网格离散伴随方法的机翼多点多约束无粘优化设计

采用基于目标函数的非结构网格离散伴随方法进行机翼多约束单点和多点组合无粘减阻优化设计。通过基于目标函数的离散伴随模型计算目标函数梯度,考虑多种典型几何和气动约束,采用拉格朗日方法求解多约束优化问题,利用径向基函数进行几何模型参数化。对M6机翼单点和多点组合优化展示了本文优化设计系统的有效性,能够较好地满足工程实际需求。     

考虑气动弹性约束的机翼结构布局优化设计

提出了一种气动弹性约束下的复合材料机翼结构布局优化设计方法.机翼内部翼梁的数目与机翼各部件的尺寸被统一来考虑,拓扑变量和尺寸变量由一个双层循环机制的优化程序来统一处理.第一层,使用蚁群算法来处理拓扑设计变量;第二层,使用NASTRAN的Sol200优化程序来处理尺寸变量,同时考虑强度、刚度、颤振约束,并将第二层的优化结果反馈给第一层以催生出更优的结构布局方案.最后,使用基本的颤振优化(没有调整结构布局)与本文方法对某前掠机翼进行了布局优化设计,并将结果进行了对比.结果表明,综合考虑各种设计约束下,结构布局形式对结构质量有重要影响,应予高度重视,同时证明了本文方法的正确性与可行性.     

动力短舱多点气动优化设计

跨声速发动机短舱的设计过程十分复杂,其设计往往需要在相互矛盾的设计要求中进行权衡。本文针对带动力短舱多点气动设计问题,采用类别形状函数变换法（CST）进行几何外形参数化,结合Kriging代理模型、Pareto遗传算法和松散式代理模型管理框架,构建了动力短舱多点优化设计平台。在巡航状态,优化目标是降低短舱外表面最大马赫数使短舱阻力减小,提高外流性能;在最大推力状态,优化目标是降低进气道最大马赫数使进气品质提升,提高内流性能。与初始短舱相比,优化设计结果在两个设计点性能上均有所提高,最大马赫数在巡航状态最多降低5%,而在最大推力状态最多降低10%。参数影响规律表明,短舱头部参数对外流和内流性能影响较大,且影响规律不同,应作为短舱综合优化设计的主要参数,并采用不同的优化设计策略。Pareto前沿阵面可以给出满足不同工程设计要求的最优方案。研究结果表明,本文建立的优化设计平台为动力短舱设计提供了有效工具,优化设计结果具有工程参考价值。     

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。     

一种实用的风力机叶片气动设计方法研究

提出了水平轴风力机叶片的优化设计模型,该模型以风轮平均年能量输出最大为设计目标,并将风速的概率分布考虑进来。为了获得较好的优化结果,首先采用PROPID程序对叶片进行反设计,获得较好性能的叶片几何,在此基础上,运用遗传算法进行搜索寻优,这样不仅减小了搜索的范围,也降低了搜索的时间。对叶片面积附加约束,以获得符合实际的叶片,采用5阶贝塞尔函数在设计点之间进行插值,以获得光滑的几何外形。利用该方法优化设计了600kW风力机叶片。与已有叶片相比,优化结果显示了明显的优越性,验证了该优化方法的有效性和实用性。     

基于FFD技术的大型运输机上翘后体气动优化设计

利用非均匀有理B样条(NURBS)基函数属性建立了任意空间的自由变形(FFD)参数化方法,进一步结合无限插值(TFI)变形网格技术、二阶振荡粒子群优化(PSO)算法以及计算流体力学(CFD)数值模拟技术,构建了通用的气动外形优化设计系统.采用该系统对C17运输机上翘后体进行气动优化设计,在满足后体最大宽度、高度以及上翘角不减小的情况下,巡航状态减阻2.6％,压差阻力减小19.8％.流态分析显示,优化后体阻力减小的主要原因是后体截面近圆度的增加以及近圆度沿机身轴线的变化量的减小使得后体周向逆压梯度减小所致.研究结果表明本文建立的基于FFD技术的气动优化设计系统对于大型运输机上翘后体的气动优化设计具有较好的实用性.     

基于Kriging模型的旋翼翼型优化设计研究

以基于进化算法的多目标优化方法为基础,结合多目标优化设计Pareto解的思想和约束处理机制,采用Kriging代理模型和基于B样条的翼型表示方法,建立了旋翼翼型的优化设计系统.代理模型采用均匀设计进行模型采样,在优化过程中根据EI(expected improvement)准则动态增加采样点来调整代理模型的精度.采用B样条方法进行翼型参数化,保证了翼型的光顺性.在翼型的气动性能分析中引入转捩模型提高阻力计算的精度.利用该系统对旋翼翼型进行了优化设计,经风洞试验验证,满足设计要求.     

考虑放宽静稳定度的民用客机气动优化设计

为了更加有效地减小民用客机考虑配平约束后的阻力,针对典型跨声速民用客机机翼-机身-平尾构型研究了不同静稳定度下的气动优化设计,并总结出在民用客机的减阻设计中考虑放宽静稳定度具有较大的减阻潜力。通过自由型面变形(FFD)技术对全机外形进行参数化,实现机翼型面的变形,进行气动优化设计并改变平尾的偏转保证全机能够力矩配平。采用基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的离散伴随方法求解目标函数对设计变量的梯度,然后基于序列二次规划算法进行基于梯度的气动优化设计。基于CRM(Common Research Model)构型,针对不同参考重心位置进行了考虑配平约束的减阻优化设计研究,验证了优化设计系统的有效性,算例结果表明,随着重心位置后移即放宽静稳定度,优化构型配平阻力减小,外翼段前缘吸力峰值明显降低且双激波的强度得到有效减弱,此外机翼的升力系数分布更加贴合最佳升力系数分布。     

基于伴随方法的机翼多设计点气动反设计方法

针对三维机翼多点多约束气动反设计问题,基于伴随理论方法和粘性流雷诺平均N-S方程,通过粘性流数值模拟、伴随方程与梯度精确数值求解、计算网格高效算法及梯度类优化算法等有效结合,并采用考虑多设计点梯度权重系数的并行计算近似模式,开展了一种三维机翼多设计点多约束气动反设计方法研究,进行了典型算例验证。研究表明:所发展的机翼多设计点气动反设计方法具有较好的鲁棒性及优化效率。     

基于代理模型的飞翼多目标气动优化设计

针对飞翼布局飞行器,采用雷诺平均N-S方程（ RANS）计算流场,使用基于代理模型的多目标优化方法进行了同时考虑起飞性能和巡航性能的多点多目标气动优化设计。在设计过程中,将飞翼的平面形状、剖面形状及扭转角同时作为设计变量（共58个设计变量）,将提高起飞时的升力系数和提高巡航升阻比为设计目标,以起飞状态和巡航状态的力矩系数作为气动约束,并以飞翼平面面积不减和剖面厚度不减作为几何约束。通过采用基于Kriging模型的多目标优化方法,以较小的计算花费得到了较好的Perato前沿。取Pareto前沿中一个最优解与基准外形的性能进行了对比,结果显示,优化外形的性能较基准外形的气动性能得到全面大幅提高且所有约束得到严格满足。     

多目标自然层流翼型反设计方法

 进行了基于扰动放大N-因子的目标压力分布设计方法的多目标自然层流（NLF）翼型反设计方法研究。流场分析和转捩位置计算用XFOIL程序,大大减少了计算花费。用N-因子设计方法进行有NLF范围要求和满足气动约束的目标压力计算,压力恢复段的压力分布用Stratford分离准则来进行设计。用基于响应面方法的优化方法来进行反设计计算,使用不含二阶交叉项的二次多项式模型的响应面模型,大大减少了构造模型所需的试验次数;设计空间内试验点的选取满足D-优化准则。根据设计目标的设计状态,进行了多目标翼型反设计。计算结果表明,设计结果的层流范围和设计目标基本吻合,该方法可以用于NLF翼型的多目标反设计中。     

考虑不确定性的飞机总体参数优化方法

由于在各种设计问题包括飞机概念设计中都存在一定的不确定性,因此在总体参数优化时有必要考虑这种不确定性。以大型客机总体参数优化设计为例,定义了考虑不确定性的飞机总体参数优化问题,该问题与传统飞机总体参数优化的区别是要进行不确定性分析。而不确定性分析的计算量过大,为此提出了一种渐进代理模型方法来解决这一难题。在建立代理模型时,通过连续成批地在设计空间的全局和局部均加入新样本点,不断提高代理模型的全局拟合精度,直至获得满意的代理模型为止。然后在优化过程中使用计算量小的代理模型。大型客机总体参数优化问题中含有5个设计变量,目标函数为起飞重量最轻,并需满足4个性能约束。考虑了不确定性后,不仅使目标值（起飞重量）对总体参数变化的敏感度有所减小,而且满足约束（设计要求）概率显著提高。     

广义最优准则法研究

 利用函数的二阶Taylor级数展开,将原问题转化为一系列的近似问题,并基于Kuhn-Tucker条件,直接给出了一种新的设计迭代式。该迭代式被证明是二次收敛的。本文所提方法可同时处理各种不同类型约束的结构优化问题,具有广义最优准则法的意义。在结构优化领域,灵敏度分析是重要的研究内容之一。本文利用广义虚载荷概念,建立了应力、位移响应的一阶和二阶导数计算公式。该导数公式对弹性矩阵未加限制,且适用于元素内应力非常值的元素。 本文处理了具有几何约束、应力约束和位移约束的结构优化设计问题。数值结果表明,此方法的计算效率很高,一般仅需2～3次分析迭代便可达工程所需的精度要求,具有实用价值。