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。     

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。     

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。     

运输机机翼外形和吊舱位置一体化优化方法

针对运输机翼吊布局中机翼-吊舱之间有可能存在较大干扰阻力的问题,本文提出一种机翼扭转角和吊舱位置的同时优化的设计方法。气动分析模型采用高阶面元法程序PANAIR,应用参数化方法和CATIA二次开发技术实现飞机三维外形的自动生成;应用网格生成工具Gridgen的脚本语言实现气动网格的自动生成。为了减少调用气动分析模型的次数,在优化中应用了代理模型方法。算例的优化结果表明:优化后机翼的展向升力分布更加合理,显著地降低机翼和吊舱间的干扰阻力。     

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。     

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。     

基于代理模型的运载器头罩外形优化设计

引入Kriging代理模型,选取若干不同头罩外形的运载器,进行气动性能分析,利用运载器气动性能参数作为拟合样本建立代理模型.以具有足够精度的代理模型替代CFD分析,发展了一种基于代理模型的运载器头罩外形优化设计方法.在马赫数为3、飞行攻角为3°、飞行高度为8km条件下,利用该方法对运载器进行最小阻力系数、最大纵向压心系数的单目标优化和综合考虑上述2个目标的多目标优化.结果表明:2个目标存在冲突,为同时兼顾减小阻力和增强纵向稳定性,必须对运载器头罩外形进行多目标优化,得到的外形阻力系数减小了1.95%,纵向压心系数增大了5.93%,采用基于代理模型的优化设计方法能在保证精度条件下有效提高计算效率.      

飞翼无人机平面外形气动隐身优化设计

对一种双后掠飞翼布局隐身无人机(UAV)平面外形,基于参数化模型和网格自动划分技术,采用气动无黏/黏性数值求解模型和隐身工程评估方法结合单/多目标优化算法,在给定的变量设计空间中完成了气动隐身综合优化设计研究。通过多目标优化给出了布局气动升阻性能相对隐身性能的最优设计边界,指出了外形气动与隐身设计之间存在的冲突关系,即一方性能提升必会使另一方性能降低,不存在双方同时最优的解,飞翼外形设计时需要在气动与隐身间进行权衡折中。计算表明,在飞翼布局外形优化中应采用精度高的黏性气动计算模型。所建立的气动隐身一体化优化设计方法,为飞翼布局无人机外形精细设计奠定了基础。     

基于代理模型的气动外形平面参数多目标匹配设计

将Kriging代理模型和Pareto遗传算法引入气动外形平面参数匹配设计中,提出一种基于代理模型的多目标平面参数匹配设计方法。将拉丁超立方试验设计用于平面参数筛选,确定出参数匹配方案库;基于方案库的计算流体力学(CFD)分析结果构建Kriging气动代理模型;将Kriging模型替代CFD分析,用于气体布局参数匹配优化设计,提高了设计效率并保证了可信度;通过Pareto遗传算法优化解决多点设计要求下气动布局参数匹配问题,一次性给出参数匹配方案的最优解集,从Pareto前沿中根据设计偏向选择气动布局最佳匹配方案。以典型的双后掠布局平面参数多点匹配优化设计问题作为算例,研究结果表明:Kriging气动代理模型与实际CFD分析结果的误差均小于5%,满足精度要求;根据不同设计偏向,选择了3种参数匹配Pareto优化方案,与原样本方案相比超声速阻力减小6.0%~12.8%,跨声速升阻比增加0.01%~3.40%,证明了匹配设计方法的有效性;通过试验设计的Pareto分析与主、交互效应分析,获得了气动布局平面参数对气动性能影响的定量关系,能够为参数匹配设计提供依据。所提出的平面参数匹配设计方法可应用于其他常规与非常规气动布局型式。     

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。     

飞艇吊舱隐身特性研究

吊舱的雷达散射特性决定了飞艇的隐身性能。为得到最优的设计方案,需要综合计算各种方案吊舱的雷达散射截面值。本文提出了采用多截面曲面对飞艇吊舱数字化建模的原理和通过形状因子描述吊舱脊线的方法,推导出利用物理光学法估算吊舱雷达散射截面的公式并总结了程序流程。通过典型吊舱分析了飞艇的隐身性能,结果表明：采用形状因子对吊舱的数字...     

腹部油箱对飞机雷达隐身特性的影响

采用物理光学(PO)与一致绕射理论(UTD)混合方法,分别计算了某战斗机不携带副油箱以及腹部携带外挂副油箱、保形油箱时的雷达散射截面积(RCS)。根据计算结果,讨论了腹部油箱对飞机雷达隐身特性的影响。研究表明,在飞机下方及侧方RCS较小的方位,外挂副油箱对飞机RCS的贡献较为明显,而保形油箱对飞机RCS的贡献始终很小。     

翼面隐身结构电磁散射特性稳健优化设计研究

隐身结构是指由蒙皮和多种内部材料组成的、能满足承载要求、并具有明显降低雷达散射截面(RCS)的结构.阐述了一种典型的翼面隐身结构方案.为了进一步挖掘该隐身结构减缩RCS的潜力和考虑到实际情况中作为设计变量的吸波材料、玻璃钢电磁参数以及内部几何形状会有一定偏差,应用基于代理模型的优化策略,对其进行电磁散射特性稳健优化设计.研究结果表明,经过优化设计后,能显著降低翼面隐身结构RCS及其对设计变量的敏感性.     

Shape preserving topology optimization for structural radar cross section control

The purpose of this paper is to present a shape preserving topology optimization method to prevent the adverse effects of the mechanical deformation on the Radar Cross Section(RCS).The optimization will suppress the variation of RCS on the perfect conductor surface by structural design. On the one hand, the physical optics method is utilized to calculate the structural RCS,which is based on the surface displacement field obtained from the finite element analysis of the structure. The correspondi...     

不同出口形状S形喷管的RSC特性

采用超椭圆方法、面积变化规律及中心线变化规律设计了三种出口形状的S形喷管,结合等效边缘电磁流（EEC）法和迭代物理光学（IPO）法开发了计算程序;EEC法分析喷管出口边缘产生的绕射场对S形喷管的雷达散射截面（RCS）的贡献;IPO法分析S形喷管腔体产生的散射场对S形喷管RCS的贡献;通过对两种电磁场所产生的电磁波的矢量叠加计算S形喷管的总RCS;在此基础上,研究了3种不同出口形状的S形喷管的RCS特性.结果表明:出口形状对RCS影响较大;圆形出口是3种S形喷管中RCS最小的;相互错位的锯齿修型可有效减小喷管的RCS;喷管的S形结构设计使得全局探测角内总散射场的RCS不关于0°探测角对称,并使得最大RCS移向正探测角.      

Geometric Optimization Design System Incorporating Hybrid GRECO-WM Scheme and Genetic Algorithm

This article seeks to outline an integrated and practical geometric optimization design system (GODS) incorporating hybrid graphical electromagnetic computing-wedge modeling (GRECO-WM) scheme and the genetic algorithm (GA) for calculating the radar cross section (RCS) and optimizing the geometric parameters of a large and complex target respectively. A new wedge modeling (WM) scheme is presented for calculating the high-frequency RCS of wedge with only one visible facet based on the method of equivalent currents (MEC). The applications of GODS to 2D cross-section and 3D surface are respectively implemented by choosing an average of monostatic RCS values corresponding to a series of incident angles over a frequency band as the optimum objective function. And the results demonstrate that the RCS can be effectively and conveniently reduced by the GODS presented in this article.     

鸭翼电磁散射特性分析与RCS减缩方法研究

利用多层快速多极子方法计算鸭翼模型雷达散射截面(RCS),分析了鸭翼前缘后掠角和展长对鸭翼RCS值的影响,并根据计算结果拟合了随前缘后掠角和展长变化的鸭翼RCS曲线。建立飞机模型,计算了鸭翼不同偏转角时飞机的RCS值,研究鸭翼偏转对飞机头向RCS的影响。计算结果表明,鸭翼偏转会显著增大飞机头向RCS,影响飞机隐身性能。根据计算结果分析推导出鸭翼纵向操纵力矩、飞机头向RCS和鸭翼几何参数之间的函数关系,为鸭翼的隐身和气动优化设计提供了技术基础。对鸭翼上使用吸波材料的情况进行计算,结果验证了在鸭翼上涂敷吸波材料能够大幅降低飞机头向RCS。     

针对雷达LPI波形验证的目标RCS估算

根据某型雷达低截获概率波形设计的需要,分析了雷达探测目标的高频散射机理,并运用物理光学法、等效电磁流法计算了约定目标在不同姿态下和不同电磁波频率照射下的RCS值,从而为验证雷达波形在能探测到目标情况下的LPI性能提供了支撑。实验结果表明,基于电磁场理论的目标RCS估算方法是研究雷达LPI波形的一种有效工具,方法也适合于其他领域RCS估算的需要。     

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。     

LOW RCS MODIFIED DESIGN OF EXTERNAL CARRIAGE AND ANALYSIS OF ITS SCATTERING CHARACTERISTIC

An external carriage and a wing on the con-ventional aircraft have a high radar cross sectionlevel in a wide range of angles of pitch becausethey form a corner reflector[1,2 ] .Foreign stealthaircraft hang weapons in the fuselage instead ofthe utility of external carriages,and use speciallaunching mechanism when releasing and launch-ing weapons. But it is the necessary work ofChina to make low RCSimprovement on existingaircraft and make them have some stealth effect.This paper introduces a w…