輕量化的大展弦比機翼技術,因具有低誘導阻力的技術特性,成為先進民用客機以及高空長航時無人機最為關切的技術之一。相比于常規(guī)飛行器,輕量化設計的大展弦比機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行氣動、結構多學科設計,成為能否充分挖掘其技術潛力的關鍵問題。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)模設計變量能力的多學科優(yōu)化設計方法,提出了極大的挑戰(zhàn)。氣動、結構以及氣動彈性學科間的緊耦合特征,促使需要從多學科耦合的角度揭示輕量化大展弦比機翼的設計原理和特點。針對以上問題,本文借助伴隨理論以及改進的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/結構多學科優(yōu)化設計方法。針對典型的大展弦比柔性機翼,利用建立的優(yōu)化設計方法開展了,在靜氣動彈性變形以及線性顫振特性影響下的氣動減阻,以及結構質量和剛度分布設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、針對靜力學問題,采用高可信度求解器和基于梯度的優(yōu)化算法,構建了具有處理大規(guī)模設計變量... 

【文章來源】：西北工業(yè)大學陜西省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：179 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

商業(yè)民用客機機翼展弦比發(fā)展趨勢

(a) 太陽神μ無人機 (b) 鬼眼μ無人機圖 1-3 不同布局形式的大展弦比無人機大展弦比機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，從而導致結構重量不可避免的增大，這就需要更為精細化的結構設計。除此之大展弦比機翼具有更為明顯的氣動彈性效應，當采用輕量化的結構設計技術以后，柔性較大，氣動彈性效應也將更為明顯。因此，針對這類飛行器，需要進行考慮氣性影響的氣動/結構綜合優(yōu)化設計。一方面，對于大展弦比柔性機翼而言，由于靜氣動彈性變形影響，機翼將發(fā)生明顯曲和扭轉變形，從氣動學科角度來看，這會造成使用工況下，機翼的氣動外形以及分布明顯地偏離單學科的氣動設計結果，造成機翼阻力增大，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 年專門設立了“Elastically shape future Air Vehicle Concept”的研究[11]。項目研究結論表明，雖然靜氣動彈性變形會使得實際的機翼外形偏離設計結果，如果能夠采用被動/主動控制技術充分利用大展弦比機翼柔性較大特點，反而可在

圖 1-4 梯度算法與進化式算法對目標函數(shù)調用次數(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/結構多學科優(yōu)化設計方法而言，除了提高有大規(guī)模設計變量和多設計約束的優(yōu)化問題的搜索性能外[87]，如何準標函數(shù)對設計變量的梯度，是決定該設計方法能否實現(xiàn)的決定性因素梯度求解方法包括解析求導、有限差分法、復變量差分法[88,89]以及伴于氣動、結構耦合問題，因高可信度求解方法的控制方程形式復雜，導。有限差分是一種易于實現(xiàn)的求導方法，但是導數(shù)的計算結果在數(shù)[92]。復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變量法在計算目標函數(shù)的導數(shù)時，都需要對目標函數(shù)標函數(shù)的計算次數(shù)與設計變量的個數(shù)成正比。對于氣動/結構多學科優(yōu)變量個數(shù)少則上百，多則上千甚至更多。若采用復變量差分法或有限梯度需要反復調用 CFD 以及 CSD 求解器進行目標函數(shù)的計算，導代價。伴隨方法只需一次方程求解過程，即可獲得目標函數(shù)相對于所，計算量與設計變量個數(shù)無關，并且求解精度較高。因此，基于伴隨

【參考文獻】：
期刊論文
[1]飛行器氣動/結構多學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.  航空學報. 2018(05)
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[4]高空長航時太陽能無人機高效氣動力設計新挑戰(zhàn)[J]. 段卓毅,王偉,耿建中,張健,李軍府.  空氣動力學學報. 2017(02)
[5]適用于參數(shù)可調結構的非定常氣動力降階建模方法[J]. 王梓伊,張偉偉.  航空學報. 2017(06)
[6]民用客機機翼/機身/平尾構型氣動外形優(yōu)化設計[J]. 陳頌,白俊強,史亞云,喬磊.  航空學報. 2015(10)
[7]考慮幾何非線性效應的大展弦比機翼氣動彈性分析[J]. 楊智春,張惠,谷迎松,宋淼.  振動與沖擊. 2014(16)
[8]考慮發(fā)動機干擾的尾吊布局后體氣動優(yōu)化設計[J]. 楊體浩,白俊強,王丹,陳頌,徐家寬,陳圓圓.  航空學報. 2014(07)
[9]改進的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡在翼梢小翼優(yōu)化設計中的應用[J]. 白俊強,王丹,何小龍,李權,郭兆電.  航空學報. 2014(07)
[10]機翼-機身-短艙-掛架外形氣動優(yōu)化設計方法[J]. 左英桃,傅林,高正紅,邵其林,白俊強.  航空動力學報. 2013(09)

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



本文編號：3014511