基于分级优化的飞机翼面结构布局综合技术研究

为了探讨飞机翼面结构主要纵横骨架的最佳布局问题．并提供符合工程实际的、用于概念设计阶段的飞机结构设计方法,本文采用分级优化与集成的策略,该策略分为三个层次。第一个层次为拓扑优化,并由此确定纵向骨架的个数与位置的最优布局;第二个层次为尺寸优化,它用来确定翼面的中间参数;第三个层次为稳定性准则优化,它确定横向骨架的个数与位置的最优布局。在分级优化的三个层次中,拓扑优化是独立的,尺寸优化与稳定性准则优化是相互耦合的。以国外某飞机机翼为例,结果表明本文提出分级优化的思路与所采用的集成方法是可行的,并且具有很好的数值效果。作者认为：它对从事飞机结构设计的人员有一定的指导性和参考价值,值得在飞机设计部门推广应用。最后,总结给出五点结论供参考。     

基于遥测电流的太阳翼在轨振动参数辨识方法

针对传统太阳翼在轨振动特性测试需采用高精度星载设备或额外增设测量装置的问题,建立了太阳翼发电电流与太阳光线入射角之间、太阳翼在轨振动与太阳翼发电电流波动之间的关系。在此基础上提出了仅依靠遥测电流波动信息辨识太阳翼在轨振动固有频率和阻尼比的方法,即：首先通过傅里叶变换获取电流波动信号的幅频响应;结合模态分析结果辨识振动频率及对应阶次信息;通过滤波算法分解各阶次振动,逐一计算对应阻尼比。为验证本方法有效性及误差水平,构造了由多个单自由度衰减振动及随机信号叠加而成的模拟电流波动信号进行仿真分析,结果表明方法有效,误差可接受。在某卫星太阳翼在轨振动参数辨识上的应用实例也表明,本文所提出的方法满足工程应用需求。     

民用飞机金属/复合材料中央翼盒结构设计方案对比

中央翼盒与外翼及机身相连,承受和传递重要的飞机载荷。中央翼盒又是整体油箱,也是机身增压舱的气密线之一,是中机身客舱地板的支持构件,所以中央翼盒设计的好坏直接决定着整架飞机设计的成败。随着材料科学及制造能力的提升,现代民用飞机的翼盒设计也出现了不同的思路和方案。下面就以相同座位级别的不同时期的方案一飞机和方案二飞机的翼盒设计对比,来展示复合材料在飞机设计中的应用。     

飞翼无人机低速着陆状态抖振响应研究

基于RANS方程和SST湍流模型,采用飞翼无人机升力系数判据、俯仰力矩判据和表面极限流判据等对抖振始发迎角度进行了预测估计。基于较为详细的结构模型和气动模型,构造了结构与气动的耦合求解技术,同时采用弹簧近似光滑和局部重构组合方法对气动的动网格技术进行更新;然后分别在时频域内分析了飞翼无人机的抖振载荷响应。研究结果表明:基于CFD的RANS方程、SST湍流模型及各类判据预计刚性飞翼无人机在低速大迎角状态下的抖振始发迎角可以得到较为合理的结果;采用升力系数判据、俯仰力矩系数判据预测的抖振始发迎角与表面极限流判据预测的始发迎角相比要保守一些;而表面极限流判据方法能给出翼面气流流动的细节,采用此判据可以分析对比不同迎角下的翼面气流流动变化情况;与气动弹性及嗡鸣响应相比,抖振是一种强迫振动,其响应频率并不单一。     

基于梯度增强型Kriging模型的气动反设计方法

基于Kriging模型的代理优化算法目前在气动优化设计中得到了广泛应用。但在高维(设计变量大于30个)气动优化中,计算量过大的问题对其进一步发展产生了严重制约。将翼型和机翼气动反设计问题转化为优化问题,采用Adjoint方法进行快速梯度求解,利用基于梯度增强型Kriging(GEK)模型的代理优化算法分别开展了18、36和108个设计变量的气动反设计。首先,通过采用在设计空间局部建立GEK模型的方法成功地将基于代理优化算法的气动反设计问题的维度拓展到了100维以上。其次,研究了梯度计算精度对基于GEK模型的反设计的影响,发现梯度精度越高,反设计的最终效果越好,同时效率相当。最后,通过不同维度的气动反设计算例,比较了改进拟牛顿法(BFGS)、基于GEK模型和Kriging模型的代理气动反设计方法,结果表明基于GEK模型的代理优化算法的效率大幅度高于基于Kriging模型的代理优化算法,并且维度越高,效率优势越明显;同时,基于GEK模型的代理优化算法在优化效果及分析程序调用次数上相比于BFGS方法也略有优势。     

插板进气畸变与压气机的耦合数值模拟

为了探索进气道/发动机一体化设计方法,发展了一种压气机与进气畸变耦合计算的方法.首先从压气机基准流场雷诺平均Navier-Stokes(RANS)仿真结果中提取压气机叶片对气流的作用力,建立压气机全通道体积力模型.再将压气机体积力模型加入到流体计算软件CFX中,实现插板进气畸变与压气机的耦合计算.与实验结果对比表明:压气机体积力模型能有效模拟压气机与上游畸变流场的耦合作用,相比传统的全通道RANS计算能减少近2个数量级的计算网格数.      

高超声速飞行器激波控制减阻技术

针对高超声速飞行器巨大的激波阻力,采用数值方法研究了由钝头体、气动杆和侧向喷流构成的组合模型的减阻性能。侧向喷流将弓形激波推离气动杆,组合模型的再附激波明显弱于传统气动杆模型,其阻力系数比气动杆模型低了33.52%,从而验证了本文组合模型优异的减阻效率。进行了组合模型的影响因素分析,随侧向喷流总压比和气动杆的长度的增加,再附激波强度减弱,减阻效率升高,但减阻效率的变化速率逐渐减小。随喷口位置向下游移动,再附激波逐渐增强,减阻效率降低,且减阻效率的变化速率逐渐增加。此外本文还研究了以上参数对流场结构及钝头体压力峰值位置的影响。     

敏捷卫星高刚度太阳翼的设计与验证

基于对国内外敏捷卫星带辅助支撑式太阳翼现状及存在问题的分析,开展了太阳翼的构型设计与布局优化,设计一种基于带簧铰链与自适应锁定式铰链的单臂支撑式高刚度太阳翼。利用支撑臂中部带簧铰链在弯折后形态可变的特性,解决了多连杆闭环机构收拢状态下的杆长匹配问题;利用太阳翼根部自适应锁定式铰链可自动调节锁定状态的特性,解决了展开末了过约束锁定的技术难题,实现了带辅助支撑式太阳翼根部铰链的可靠锁定功能。开展太阳翼展开静力矩裕度分析、模态分析和展开动力学分析,结果表明,太阳翼展开力矩裕度大于1,展开状态下基频大于8 Hz,展开过程顺畅无死点,展开末了冲击力不超过750 N。开展了太阳翼地面试验验证和在轨飞行验证,结果表明,该高刚度太阳翼满足敏捷卫星在轨长时间快速机动的使用要求。     

空客公司成功的机翼设计Ⅱ——A320、A330/A340、A350及A380机翼设计

空中客车的成功离不开其先进的机翼设计,其机翼由英国宇航公司负责设计和生产。空客飞机机翼先进的空气动力设计,包括尖峰后加载翼型、超临界翼型、先进跨声速机翼设计——超临界机翼设计、机翼与机身的干扰、翼梢小翼设计、增升装置设计等。     

简化自适应机翼的气动外形优化设计

自适应机翼技术的研究对于超声速飞机设计具有重要意义。本文在二维翼型自适应的研究基础上,用Powell法优化计算了对前缘后掠角为35°,展弦比λ=3.9,梢根比η=0.17,机翼剖面为NACA65006翼型的梯形翼的前后缘舵面偏转角,从而获得了在亚跨声速时升阻比大而在超声速时阻力系数小的简化自适应机翼的最优气动外形。本文采用了并行遗传算法,计算了要求亚跨声速升阻比大同时超声速阻力小的气动双目标优化机翼的外形。讨论了优化机翼相对于原始机翼的气动增益。与二维一样,三维数值算例也证明了自适应机翼可获得明显的气动增益。