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。     

协同优化在机翼气动／结构一体化设计中初步应用

探讨协同优化方法是否能有效地解决机翼气动 结构一体化设计优化问题。首先对基本的协同优化和基于响应面协同优化二种方法的特点进行了探讨,然后以轻型飞机机翼气动 结构一体化设计为例,着重研究如何用协同优化方法建立机翼气动 结构一体化设计的优化模型。研究结果表明,基本的协同优化算法不能有效地解决该机翼气动 结构一体化优化问题,而基于响应面的协同优化方法在求解这一问题时具有较好的鲁棒性。     

十公斤级固定翼无人机全碳纤维机翼设计与应力分析

根据轻型固定翼无人机性能要求,设计了一款最大起飞结构质量为10 kg、质量轻、强度高、刚度高的固定翼无人机全碳纤维机翼;基于气动性能分析和结构几何设计,建立了机翼结构的三维模型;采用"封闭矩形截面缘条"盒式梁结构,增大了机翼的扭转刚度;建立了机翼结构有限元模型,采用最大应力强度准则,对机翼结构的强度、刚度、稳定性进行了校核。对蒙皮碳纤维铺层结构进行了优化。结果表明,结构应力集中区域位于翼梁根部螺栓孔区域,该区域应力水平决定了结构的初始强度;机翼大梁上缘条根部和附近的蒙皮易发生屈曲;优化后蒙皮减重121.6 g,占机翼初始结构质量的11.94%。     

基于响应面法的机翼气动/结构一体化优化设计研究

基于响应面法进行了机翼气动/结构一体化优化设计研究,流动控制方程为三维欧拉方程,采用有限体积法进行数值求解,应力和结构变形采用有限元方法计算,静气动弹性分析采用强耦合迭代方式,响应面模型采用二次多项式来构造。以跨音速M6机翼为初始机翼,进行了多目标、多约束情形下的气动/结构综合优化设计,优化后所得到的新机翼具有更佳的气动/结构综合性能,升阻比增加了9.25%,而重量减轻了4.84%;响应面模型精度满足设计要求,拟合误差均不超过1%;这说明本文所发展气动/结构综合优化设计方法是成功且有效的,具有广泛的应用前景。     

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。     

薄壁机匣螺栓连接结构多目标优化设计

为增大薄壁机匣安装边螺栓连接结构强度、减小其振动和重量,以满足现代航空发动机更高性能的要求,对机匣结构参数进行了优化设计。选取安装边高度、安装边厚度、机匣厚度和螺栓个数为参数变量,结构质量、一阶固有频率和最大等效应力为目标函数,根据Box-Behnken方法设计的样本点和有限元计算结果建立二阶响应面模型,基于层次分析获取权系数,并利用遗传算法对机匣结构进行多目标优化设计。最后,针对优化后的结构进行模态试验和有限元验证。研究表明,模态试验结果与有限元计算误差小于6%,同时优化显著提高了一阶固有频率,使其结构质量和最大等效应力分别降低5.28%和13.64%,验证了本文提出的优化方法的有效性和可行性。     

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。      

尾翼舵面悬挂接头随机振动分析及优化设计

文章基于无人机尾翼舵面悬挂接头结构,采用有限元软件建立几何模型,施加边界约束条件及气动载荷对其进行静力学分析;然后对其进行随机振动响应分析,研究不同频率下的最大振动形变量,并通过拓扑优化的设计方法,对舵面悬挂接头结构进行轻量化设计;将拓扑优化后的结果导入三维软件模型中,对其进行几何重构。结果表明:尾翼舵面悬挂接头产生最大变形量为 0.495 mm,最大应力为 34.6 MPa,其连接区域复合材料最大 X向应变为 280.6 με,最大 Y向应变为 284.0 με,最大剪应变为 381.2 με;在 100、200 Hz时,随机振动响应出现峰值,结构易产生破坏和失效;舵面悬挂接头经过轻量化设计后,其体积分数减少 26.80%,且优化后的舵面悬挂接头结构是合理可靠的。     

机翼的气动伺服弹性设计优化研究

以气动伺服弹性特性为约束和目标,对一个大展弦比机翼进行了结构/控制设计优化。该机翼具有双梁式结构和一个用于阵风响应减缓的主动控制面。在气动伺服弹性分析模型的基础上,建立了优化问题的数学描述。选取结构刚度和控制器参数为设计变量,以发散、无控和有控情况的颤振为约束条件,以结构重量和阵风响应组合性能为目标函数。采用遗传算法进行优化,得到的最优设计结果与原基准模型相比,机翼在满足气动弹性稳定的约束条件下,结构重量有所减轻,且阵风响应显著地减缓。     

利用遗传算法和神经网络响应面来实现复合材料结构优化设计

运用正交试验设计选择设计样本，建立神经网络响应面，以代替复合材料结构优化中的大量的有限元分析；将神经网络响应面作为目标函数或者约束条件，加上其他常规约束条件进行优化模型的建立，再应用遗传算法（GA）进行优化，这可以实现设计分析与设计优化的分离。以复合材料帽型加筋板的重量优化问题为例，建立了重量响应面目标函数、强度和翘曲稳定性响应面约束条件；并通过NASTRAN进行有限元计算，以获取用于响应面训练的样本点数据。研究表明，该方法能以较少的结构分析次数，取得高精度的响应面近似模型，从而使优化效率大为提高。神经网络响应面能够获得与传统响应面同等，甚至更好的精度。     

基于近似技术的协同优化方法在机翼设计优化中的应用

将多学科设计协同优化方法与近似技术相结合,实现某机翼涉及结构和气动两个学科的设计优化。在对某机翼的协同优化设计中,采用基于均匀设计的二次响应面技术得到近似的协同优化模型,利用基于动态松弛近似的协同优化得到合理的结果。研究表明,将协同优化方法与近似技术相结合,能够有效地解决复杂工程的设计优化问题。     

基于数学规划法的飞机机翼结构分层次优化设计方法研究

在方案设计阶段,为了使机翼结构既满足强度设计要求,又满足刚度设计要求,本文提出了一种基于数学规划法的层次优化方法。首先利用准则法进行结构的满应力设计优化,在此基础上利用数学规划法进行结构的刚度设计(以颤振约束进行优化并进行舵面效率的校核)。文中以某型飞机机翼为例,在多墙、梁式两套方案的结构优化设计上进行了成功应用。     

分析模型参数化建模在飞机多学科优化设计中的应用

 论述分析模型参数化建模在飞机多学科优化设计中的重要意义,提出一种机翼气动与结构分析模型参数化建模方法。优化设计变量与机翼气动计算网格的中间参数变量用于描述机翼气动网格变形情况,并建立结构有限元网格与优化设计变量的空间变化关系,实现机翼气动/结构多学科优化设计模型的参数化描述。气动性能计算采用基于N S方程的计算流体力学方法,利用试验设计方法（DOE）和响应曲面模型（RSM）技术构造气动响应曲面用于优化设计,结构计算调用MSC/NASTRAN完成。采用Pareto遗传算法对一大展弦比复合材料机翼模型进行了多学科优化设计分析,得到Pareto前沿面和可选方案以供决策者选择。     

基于模型管理框架的机翼结构多目标优化设计

采用演化算法对某高空长航时无人机机翼结构进行多目标优化设计时,由于需要大量的演化迭代和很多次的有限元分析计算,使演化算法相当耗时.为了提高效率,采用模型管理框架对该机翼结构进行多目标优化设计.采用模型管理框架可以建立满足精度要求的目标及约束的近似模型,使演化算法不仅避免了大量的有限元分析计算,而且获得了满意的该高空长航时无人机机翼结构的多目标优化设计结果.     

考虑复合材料蒙皮稳定性的飞机翼面结构布局优化设计

 复合材料蒙皮稳定性是飞机翼面结构设计需要考虑的重要方面。由于翼面结构稳定性理论分析的复杂性,工程中,通常采用与理论分析相比拟的简化方法、使用简便可靠的经验公式在设计过程中进行稳定性校核。多墙式结构是当前翼面结构中普遍采用的结构形式,墙的布局和蒙皮的厚度对复合材料蒙皮的临界屈曲载荷有着重要影响。因此,针对多墙式翼面结构,以工程经验公式为基础,以蒙皮单位长度上的的重量为优化目标,以墙的布局参数和蒙皮厚度为设计变量,以临界失稳载荷为约束,建立了一种考虑复合材料蒙皮稳定性的翼面结构布局优化问题的数学模型,导出了目标函数敏度计算的解析式,并提出了优化问题的求解方法。以翼盒结构为例,验证了该方法的有效性。     

复合材料翼面结构综合优化设计技术

概要介绍了复合材料翼面结构在静力、振动、位移、舵面效率、发散速度、颤振、尺寸限制等多种约束条件下的最小重量设计技术。对优化过程中遇到的复合材料的静强度准则、均衡约束、动态上限等问题提出了相应的解决方法。用基于该技术和方法而编制出的综合设计程序系统对一个三角机翼复合材料结构进行了综合优化设计研究,在满足许用应变、尺寸限、均衡、颤振速度等约束条件下,经6次迭代得到了最佳的铺层设计结果。该机翼全尺寸静强度、耐久性/损伤容限及共振试验结果表明：理论计算与试验符合;复合材料构件中的最大应变小于许用应变约束限;按许用应变设计出的复合材料翼面蒙皮构件可满足耐久性/损伤容限要求;颤振速度比同状态金属机翼提高23%;减重效率为20%.     

大展弦比机翼总体刚度的气动弹性优化设计

针对大展弦比机翼总体刚度设计问题,提出了梁架模型气动弹性优化和三维优化模型折算两种设计方法,并以大展弦比机翼为例对两种方法的合理性进行了验证.前者基于机翼梁架式模型,利用气动弹性优化方法对其主梁刚度进行设计,其特点是建模简单、计算效率较高,可以在设计信息较少的概念和初步设计阶段使用,但由于约束条件考虑较少,设计结果相对...