飛行器的多學科設計優(yōu)化研究是當前飛行器設計者們關注的重點和熱點之一。本文基于非結構網格連續(xù)伴隨方法開展了飛行器氣動結構多學科設計優(yōu)化的研究:推導和建立了非結構網格連續(xù)伴隨氣動單學科優(yōu)化方法;發(fā)展了一種四邊形線性殼單元理論并將其應用于飛行器的靜氣彈分析中;基于連續(xù)伴隨方法建立了高擬真度的(high-fidelity)飛行器氣動結構多學科設計優(yōu)化系統(tǒng)�；诜墙Y構網格Euler方程,發(fā)展了一套連續(xù)伴隨氣動單學科優(yōu)化方法。首先基于非結構網格推導出了連續(xù)伴隨方程及其邊界條件,隨后建立了連續(xù)伴隨方程的數值求解系統(tǒng)。連續(xù)伴隨方程求解的對流通量計算方法包括JST格式和Roe形式的二階迎風格式,時間離散方法包括顯式四步Runge-Kutta格式和隱式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)格式。本文提出的Roe形式的二階迎風格式和LU-SGS格式提高了計算精度和計算效率�；贛PI實現(xiàn)了流動控制方程和連續(xù)伴隨方程的并行算法,從而提高了優(yōu)化設計的計算效率;研究了流動控制方程和連續(xù)伴隨方程采用相同和不同的空間離散方法對伴隨解的影響;參數化方法采用自由形面變形技術,動網格方法為簡單易于實現(xiàn)的彈簧網格法,采用的優(yōu)化算法為序列二次規(guī)劃方法,可以處理無約束和有約束、線性和非線性的優(yōu)化問題。與有限差分方法所得梯度進行對比,以驗證連續(xù)伴隨方法所得梯度的精確性。最后對ONERA M6機翼和DPW-W1機翼開展了氣動單學科優(yōu)化設計,對該優(yōu)化系統(tǒng)的計算結果和計算效率進行了檢驗。提出了一種四邊形線性殼單元理論并將其應用于飛行器的靜氣彈分析中。該殼單元基于位移和應力合力相互獨立的Hellinger-Reissner變分原理,采用解析積分高效計算剛度矩陣,單元節(jié)點具有5/6個自由度,能夠處理結構模型中殼單元的相交問題。結合該殼單元理論與Euler方程求解器,構造出高擬真度的靜氣彈分析模型。靜氣彈分析采用強耦合方法,提高計算效率。采用Intel MKL數學庫中的PARDISO求解器求解結構平衡方程,該方法為并行直接求解方法,可高效計算條件數較大的線性方程組。氣動結構兩學科間數據交換方法為薄平板樣條法,動網格方法為魯棒性高的線彈性動網格方法。隨后采用經典算例驗證所發(fā)展的殼單元模型計算結果的正確性以及對相交問題的處理能力。DPW-W1機翼結構模型為雙梁單塊式翼面結構,由前后梁、翼肋和蒙皮構成,前后梁分別處于距前緣10%和60%弦長處,20根翼肋沿展向等距分布。最后應用本文的方法對DPW-W1機翼開展了靜氣彈分析研究�；谶B續(xù)伴隨方法建立了高擬真度的飛行器氣動結構多學科設計優(yōu)化系統(tǒng)。分別開展了考慮靜氣彈變形的飛行器氣動單學科優(yōu)化設計研究,基于連續(xù)伴隨方法和有限差分方法的氣動結構多學科設計優(yōu)化研究以及基于單向耦合連續(xù)伴隨方法的飛行器氣動結構多學科設計優(yōu)化研究。并將剛性機翼氣動單學科優(yōu)化后的外形進行靜氣彈分析,將分析結果與上述考慮靜氣彈效應的飛行器設計優(yōu)化結果進行了對比,結果表明了飛行器設計中進行氣動結構多學科設計優(yōu)化的重要性與必要性。
【學位單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：V221.3
【部分圖文】：

基于連續(xù)伴隨方法的氣動結構多學科設計優(yōu)化 3, , ,L i ijV fV n 4, , ,R j ijV fV n 對每條邊定義單位法向量和表面積，邊 ij 對應的表面積法向矢量如圖 2.1（b體邊 ij 所對應的表面積法向矢量，其值為控制體在邊 ij 周圍的所有內表面（陰影部分）矢量和，ΔSij為邊 ij 所對應的表面積。由于格點格式構造出的控制多面體，因此控制體體積的求解相對較為復雜，不能直接計算求得，可先分個原始網格單元部分的體積（如圖 2.1（a）中多面體 HEIJ-FKGB），再將各得到控制體體積。jSij

南京航空航天大學博士學位論文流動變量梯度和限制器。本文采用分段線性重構方法，即假定控制的，因此對于格點格式左右狀態(tài)變量插值公式為： 12L i i i ijV V V r 12R j j j ijV V V r j 分別為點 i 和點 j 的限制器；i V 和j V 分別為點 i 和點 j 處的流點 i 指向點 j 的向量，如圖 2.2 所示。

南京航空航天大學博士學位論文00x ww y wz wn pn pn p F 壓強。在本文所用的格點格式中，物面壓強需要由附近部分物面網格示意圖，陰影部分為控制體在物面邊界處、B 和 C 點壓強插值得到： 168w A B Cp p p p

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本文編號：2821747