輕量化的大展弦比機(jī)翼技術(shù),因具有低誘導(dǎo)阻力的技術(shù)特性,成為先進(jìn)民用客機(jī)以及高空長航時無人機(jī)最為關(guān)切的技術(shù)之一。相比于常規(guī)飛行器,輕量化設(shè)計的大展弦比機(jī)翼具有更為突出的氣動彈性問題,如靜氣動彈性變形以及顫振等。如何綜合考慮靜氣動彈性變形以及顫振進(jìn)行氣動、結(jié)構(gòu)多學(xué)科設(shè)計,成為能否充分挖掘其技術(shù)潛力的關(guān)鍵問題。靜氣動彈性以及顫振特性的引入,對發(fā)展高效、魯棒的,具有處理大規(guī)模設(shè)計變量能力的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計方法,提出了極大的挑戰(zhàn)。氣動、結(jié)構(gòu)以及氣動彈性學(xué)科間的緊耦合特征,促使需要從多學(xué)科耦合的角度揭示輕量化大展弦比機(jī)翼的設(shè)計原理和特點。針對以上問題,本文借助伴隨理論以及改進(jìn)的Chebyshev譜方法,采用高、低精度分析模型搭配的方式,發(fā)展了可綜合考慮靜氣動彈性變形以及線性顫振特性影響的,基于梯度的氣動/結(jié)構(gòu)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計方法。針對典型的大展弦比柔性機(jī)翼,利用建立的優(yōu)化設(shè)計方法開展了,在靜氣動彈性變形以及線性顫振特性影響下的氣動減阻,以及結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度分布設(shè)計特點的探索性研究。本文的主要研究工作和解決的問題如下:1、針對靜力學(xué)問題,采用高可信度求解器和基于梯度的優(yōu)化算法,構(gòu)建了具有處理大規(guī)模設(shè)計變量... 

【文章來源】：西北工業(yè)大學(xué)陜西省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：179 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

商業(yè)民用客機(jī)機(jī)翼展弦比發(fā)展趨勢

(a) 太陽神μ無人機(jī) (b) 鬼眼μ無人機(jī)圖 1-3 不同布局形式的大展弦比無人機(jī)大展弦比機(jī)翼雖然可以顯著的降低飛行器的巡航阻力，提高升阻比，但是卻給飛行設(shè)計帶來了不小的挑戰(zhàn)。比如在相同承載條件下，展弦比的增大必然帶來翼根彎矩加，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量不可避免的增大，這就需要更為精細(xì)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計。除此之大展弦比機(jī)翼具有更為明顯的氣動彈性效應(yīng)，當(dāng)采用輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)以后，柔性較大，氣動彈性效應(yīng)也將更為明顯。因此，針對這類飛行器，需要進(jìn)行考慮氣性影響的氣動/結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計。一方面，對于大展弦比柔性機(jī)翼而言，由于靜氣動彈性變形影響，機(jī)翼將發(fā)生明顯曲和扭轉(zhuǎn)變形，從氣動學(xué)科角度來看，這會造成使用工況下，機(jī)翼的氣動外形以及分布明顯地偏離單學(xué)科的氣動設(shè)計結(jié)果，造成機(jī)翼阻力增大，阻力發(fā)散、抖振等非點氣動性能惡化。為了研究靜氣動彈性變形對大展弦比柔性飛行器氣動性能的影響 NASA 于 2010 年專門設(shè)立了“Elastically shape future Air Vehicle Concept”的研究[11]。項目研究結(jié)論表明，雖然靜氣動彈性變形會使得實際的機(jī)翼外形偏離設(shè)計結(jié)果，如果能夠采用被動/主動控制技術(shù)充分利用大展弦比機(jī)翼柔性較大特點，反而可在

圖 1-4 梯度算法與進(jìn)化式算法對目標(biāo)函數(shù)調(diào)用次數(shù)隨優(yōu)化問題維度增加的變化趨勢對比基于梯度優(yōu)化算法的氣動/結(jié)構(gòu)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計方法而言，除了提高有大規(guī)模設(shè)計變量和多設(shè)計約束的優(yōu)化問題的搜索性能外[87]，如何準(zhǔn)標(biāo)函數(shù)對設(shè)計變量的梯度，是決定該設(shè)計方法能否實現(xiàn)的決定性因素梯度求解方法包括解析求導(dǎo)、有限差分法、復(fù)變量差分法[88,89]以及伴于氣動、結(jié)構(gòu)耦合問題，因高可信度求解方法的控制方程形式復(fù)雜，導(dǎo)。有限差分是一種易于實現(xiàn)的求導(dǎo)方法，但是導(dǎo)數(shù)的計算結(jié)果在數(shù)[92]。復(fù)變量差分法的計算精度受差分步長影響較小，可以獲得比較精限差分還是復(fù)變量法在計算目標(biāo)函數(shù)的導(dǎo)數(shù)時，都需要對目標(biāo)函數(shù)標(biāo)函數(shù)的計算次數(shù)與設(shè)計變量的個數(shù)成正比。對于氣動/結(jié)構(gòu)多學(xué)科優(yōu)變量個數(shù)少則上百，多則上千甚至更多。若采用復(fù)變量差分法或有限梯度需要反復(fù)調(diào)用 CFD 以及 CSD 求解器進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的計算，導(dǎo)代價。伴隨方法只需一次方程求解過程，即可獲得目標(biāo)函數(shù)相對于所，計算量與設(shè)計變量個數(shù)無關(guān)，并且求解精度較高。因此，基于伴隨

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]飛行器氣動/結(jié)構(gòu)多學(xué)科延遲耦合伴隨系統(tǒng)數(shù)值研究[J]. 黃江濤,周鑄,劉剛,高正紅,黃勇,王運濤.  航空學(xué)報. 2018(05)
[2]民用客機(jī)變彎度機(jī)翼優(yōu)化設(shè)計[J]. 郭同彪,白俊強(qiáng),李立,陳頌.  中國科學(xué):技術(shù)科學(xué). 2018(01)
[3]考慮靜氣動彈性影響的客機(jī)機(jī)翼氣動/結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計研究[J]. 楊體浩,白俊強(qiáng),辛亮,孫智偉,史亞云.  空氣動力學(xué)學(xué)報. 2017(04)
[4]高空長航時太陽能無人機(jī)高效氣動力設(shè)計新挑戰(zhàn)[J]. 段卓毅,王偉,耿建中,張健,李軍府.  空氣動力學(xué)學(xué)報. 2017(02)
[5]適用于參數(shù)可調(diào)結(jié)構(gòu)的非定常氣動力降階建模方法[J]. 王梓伊,張偉偉.  航空學(xué)報. 2017(06)
[6]民用客機(jī)機(jī)翼/機(jī)身/平尾構(gòu)型氣動外形優(yōu)化設(shè)計[J]. 陳頌,白俊強(qiáng),史亞云,喬磊.  航空學(xué)報. 2015(10)
[7]考慮幾何非線性效應(yīng)的大展弦比機(jī)翼氣動彈性分析[J]. 楊智春,張惠,谷迎松,宋淼.  振動與沖擊. 2014(16)
[8]考慮發(fā)動機(jī)干擾的尾吊布局后體氣動優(yōu)化設(shè)計[J]. 楊體浩,白俊強(qiáng),王丹,陳頌,徐家寬,陳圓圓.  航空學(xué)報. 2014(07)
[9]改進(jìn)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在翼梢小翼優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 白俊強(qiáng),王丹,何小龍,李權(quán),郭兆電.  航空學(xué)報. 2014(07)
[10]機(jī)翼-機(jī)身-短艙-掛架外形氣動優(yōu)化設(shè)計方法[J]. 左英桃,傅林,高正紅,邵其林,白俊強(qiáng).  航空動力學(xué)報. 2013(09)

博士論文
[1]葉輪機(jī)械非定常伴隨優(yōu)化[D]. 馬燦.清華大學(xué) 2016
[2]基于梯度的氣動外形優(yōu)化設(shè)計方法及應(yīng)用[D]. 陳頌.西北工業(yè)大學(xué) 2016
[3]高空長航時無人機(jī)多學(xué)科設(shè)計若干問題研究[D]. 孫智偉.西北工業(yè)大學(xué) 2016
[4]飛行器氣動外形優(yōu)化設(shè)計方法研究與應(yīng)用[D]. 王丹.西北工業(yè)大學(xué) 2015
[5]基于控制理論的氣動優(yōu)化設(shè)計技術(shù)研究[D]. 楊旭東.西北工業(yè)大學(xué) 2002



本文編號：3014511