為應(yīng)對(duì)航空運(yùn)輸日益嚴(yán)苛的競(jìng)爭(zhēng),未來(lái)單通道民航客機(jī)有可能采用一種新型的布局型式—桁架支撐機(jī)翼(Truss-Braced Wing,簡(jiǎn)稱(chēng)TBW)。TBW布局客機(jī)具有較大的展弦比、較小的后掠角和較薄的機(jī)翼厚度,可顯著提高飛機(jī)升阻比;它的桁架支撐可以降低機(jī)翼彎矩,減少機(jī)翼重量。TBW布局客機(jī)總體設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵任務(wù)是:需要在設(shè)計(jì)初期階段對(duì)這種布局的氣動(dòng)、重量等方面進(jìn)行綜合分析,并在此基礎(chǔ)上評(píng)估其節(jié)油效益。針對(duì)這一問(wèn)題,本文以TBW布局單通道客機(jī)為研究對(duì)象,研究其總體設(shè)計(jì)階段的綜合分析和優(yōu)化方法,開(kāi)發(fā)相應(yīng)的工具和平臺(tái),為T(mén)BW布局客機(jī)總體方案分析與論證提供有力支撐。本文主要研究?jī)?nèi)容與成果如下:1)應(yīng)用飛機(jī)總體設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)了一種TBW布局客機(jī)總體初始方案,繪制了其全機(jī)外形幾何模型。該初始方案為總體設(shè)計(jì)的綜合分析和優(yōu)化研究提供了一個(gè)具體的研究對(duì)象。2)研究了TBW布局客機(jī)中自然層流翼型優(yōu)化和層流機(jī)翼設(shè)計(jì)問(wèn)題。應(yīng)用CFD方法和轉(zhuǎn)捩模型對(duì)翼型和機(jī)翼的邊界層轉(zhuǎn)捩進(jìn)行預(yù)測(cè)。提出了一種面向?qū)恿饕硇驮O(shè)計(jì)的兩輪優(yōu)化方法:第一輪優(yōu)化用于增加翼型表面的層流區(qū)域,第二輪優(yōu)化用于減弱激波強(qiáng)度。應(yīng)用這種優(yōu)化方法可將超臨界翼型優(yōu)化為層流翼型。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出層流機(jī)翼,并獲得了這類(lèi)層流機(jī)翼能達(dá)到的層流比例數(shù)值范圍。3)綜合應(yīng)用參數(shù)化幾何建模、參數(shù)化結(jié)構(gòu)有限元模型、顫振分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法,建立了一種桁架支撐機(jī)翼重量計(jì)算方法。基于該方法分析了顫振約束對(duì)結(jié)構(gòu)重量的影響,以及機(jī)翼與桁架之間的不同連接方式對(duì)機(jī)翼重量的影響,并構(gòu)建了桁架支撐機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量計(jì)算代理模型。該重量計(jì)算代理模型可集成于TBW布局客機(jī)總體設(shè)計(jì)的綜合分析工具。4)建立了一種TBW布局客機(jī)總體方案的綜合分析工具。該工具包括幾何、氣動(dòng)、重量、發(fā)動(dòng)機(jī)、性能、操穩(wěn)和經(jīng)濟(jì)性分析模塊。基于Matlab環(huán)境,實(shí)現(xiàn)了各分析模塊的集成和用戶(hù)界面的設(shè)計(jì)。該工具反映了TBW布局客機(jī)的氣動(dòng)特征和機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量特征。應(yīng)用該工具對(duì)TBW布局客機(jī)總體初始方案進(jìn)行了綜合分析。分析結(jié)果表明,TBW布局客機(jī)總體初始方案具有升阻比高、油耗低、起降距離較短等特點(diǎn)。5)基于本文建立的TBW布局客機(jī)總體綜合分析工具和多學(xué)科集成與優(yōu)化iSIGHT-FD軟件平臺(tái),構(gòu)建了TBW布局客機(jī)總體參數(shù)優(yōu)化平臺(tái)。以機(jī)翼面積、后掠角、展弦比、發(fā)動(dòng)機(jī)推力為設(shè)計(jì)變量,以最小起飛重量、輪檔油耗、直接運(yùn)營(yíng)成本為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)TBW布局客機(jī)總體初始方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化結(jié)果表明,與常規(guī)布局方案相比,TBW布局客機(jī)總體方案的油耗可降低23.3%。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：V224
【部分圖文】：

出1975：層流方案提出2000：嘗試將此方案應(yīng)用于民航客機(jī)2008：N+3方案提出2013：第一架縮比模型風(fēng)洞試驗(yàn)圖 1.4 TBW 布局客機(jī)方案發(fā)展時(shí)間軸 布局客機(jī)首次被提出是在上個(gè)世界 50 年代，由法國(guó) Hurel-Dubois（簡(jiǎn)稱(chēng) H機(jī)型被命名為 HD-31，在 1953 年 1 月 27 日首飛，如圖 1.5 所示[44-45]。HD比 20.2，安裝兩臺(tái)萊特旋風(fēng) C7BA1 發(fā)動(dòng)機(jī)，可搭載 36 名乘客。Hurel-Du大飛機(jī)展弦比降低誘導(dǎo)阻力，通過(guò)機(jī)翼下方的斜撐部件避免機(jī)翼重量增加購(gòu)兩架，但僅購(gòu)買(mǎi)了一架，后交由法國(guó)海軍用于評(píng)估。法國(guó)海軍原計(jì)劃采用，但最后仍沒(méi)有落實(shí)。Hurel-Dubois 公司之后將 HD-31 飛機(jī)換裝動(dòng)力動(dòng)機(jī)，更名為 HD-32[46]。兩者只存在發(fā)動(dòng)機(jī)不同，于同年（1953 年）12 月 2僅制造了兩架。

桁架支撐機(jī)翼布局客機(jī)總體設(shè)計(jì)的綜合分析與優(yōu)化，法國(guó)藍(lán)鷹航空公司計(jì)劃采購(gòu) 4 架，使得 HD-32 飛機(jī)市場(chǎng)預(yù)期達(dá)到 150 架。Hur備交于法國(guó)東南飛機(jī)制造公司制造，但這批訂單最后沒(méi)有落實(shí)。不過(guò)，法國(guó)國(guó)家對(duì)這種布局飛機(jī)感興趣，評(píng)估是否能夠優(yōu)于波音 B17。設(shè)計(jì)方案最終被修改滿(mǎn)足時(shí)間和更低的飛行速度，用于測(cè)繪，購(gòu)買(mǎi)了八架飛機(jī)，這一批飛機(jī)被命名為 ubois 公司后續(xù)還研發(fā)了 HD-35 和 HD-37 兩個(gè)版本，但均未被制造。這一階段的了桁架支撐機(jī)翼布局在大展弦比飛機(jī)重量方面的優(yōu)勢(shì)。 1975 年，這個(gè)構(gòu)型再次被 Pfenninger[47-49]提及，做出了另一項(xiàng)突破性的進(jìn)展，將到桁架支撐機(jī)翼布局，使得機(jī)翼表面層流達(dá)到 70%。他相繼提出了三種方案，分馬赫數(shù) 0.78，0.83 和 0.97 的三個(gè)方案。圖 1.6 展示了巡航馬赫數(shù) 0.78 的方案，弦比 16.3，升阻比 48，最大起飛重量 400000 kg。

南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文告[28]，報(bào)告中主要對(duì)第一階段的 SUGAR High（0765-095）方案進(jìn)行了更改，共有五個(gè)型本，各版本之間的區(qū)別在于動(dòng)力系統(tǒng)不同。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2869577