桁架支撑机翼布局客机总体设计的综合分析与优化

发布时间：2020-11-04 03:51

　　 为应对航空运输日益严苛的竞争,未来单通道民航客机有可能采用一种新型的布局型式—桁架支撑机翼(Truss-Braced Wing,简称TBW)。TBW布局客机具有较大的展弦比、较小的后掠角和较薄的机翼厚度,可显著提高飞机升阻比;它的桁架支撑可以降低机翼弯矩,减少机翼重量。TBW布局客机总体设计的一个关键任务是:需要在设计初期阶段对这种布局的气动、重量等方面进行综合分析,并在此基础上评估其节油效益。针对这一问题,本文以TBW布局单通道客机为研究对象,研究其总体设计阶段的综合分析和优化方法,开发相应的工具和平台,为TBW布局客机总体方案分析与论证提供有力支撑。本文主要研究内容与成果如下:1)应用飞机总体设计方法,设计了一种TBW布局客机总体初始方案,绘制了其全机外形几何模型。该初始方案为总体设计的综合分析和优化研究提供了一个具体的研究对象。2)研究了TBW布局客机中自然层流翼型优化和层流机翼设计问题。应用CFD方法和转捩模型对翼型和机翼的边界层转捩进行预测。提出了一种面向层流翼型设计的两轮优化方法:第一轮优化用于增加翼型表面的层流区域,第二轮优化用于减弱激波强度。应用这种优化方法可将超临界翼型优化为层流翼型。在此基础上,设计出层流机翼,并获得了这类层流机翼能达到的层流比例数值范围。3)综合应用参数化几何建模、参数化结构有限元模型、颤振分析、结构优化等方法,建立了一种桁架支撑机翼重量计算方法。基于该方法分析了颤振约束对结构重量的影响,以及机翼与桁架之间的不同连接方式对机翼重量的影响,并构建了桁架支撑机翼结构重量计算代理模型。该重量计算代理模型可集成于TBW布局客机总体设计的综合分析工具。4)建立了一种TBW布局客机总体方案的综合分析工具。该工具包括几何、气动、重量、发动机、性能、操稳和经济性分析模块。基于Matlab环境,实现了各分析模块的集成和用户界面的设计。该工具反映了TBW布局客机的气动特征和机翼结构重量特征。应用该工具对TBW布局客机总体初始方案进行了综合分析。分析结果表明,TBW布局客机总体初始方案具有升阻比高、油耗低、起降距离较短等特点。5)基于本文建立的TBW布局客机总体综合分析工具和多学科集成与优化iSIGHT-FD软件平台,构建了TBW布局客机总体参数优化平台。以机翼面积、后掠角、展弦比、发动机推力为设计变量,以最小起飞重量、轮档油耗、直接运营成本为优化目标,对TBW布局客机总体初始方案进行了优化设计。优化结果表明,与常规布局方案相比,TBW布局客机总体方案的油耗可降低23.3%。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V224
【部分图文】：

出1975：层流方案提出2000：尝试将此方案应用于民航客机2008：N+3方案提出2013：第一架缩比模型风洞试验图 1.4 TBW 布局客机方案发展时间轴 布局客机首次被提出是在上个世界 50 年代，由法国 Hurel-Dubois（简称 H机型被命名为 HD-31，在 1953 年 1 月 27 日首飞，如图 1.5 所示[44-45]。HD比 20.2，安装两台莱特旋风 C7BA1 发动机，可搭载 36 名乘客。Hurel-Du大飞机展弦比降低诱导阻力，通过机翼下方的斜撑部件避免机翼重量增加购两架，但仅购买了一架，后交由法国海军用于评估。法国海军原计划采用，但最后仍没有落实。Hurel-Dubois 公司之后将 HD-31 飞机换装动力动机，更名为 HD-32[46]。两者只存在发动机不同，于同年（1953 年）12 月 2仅制造了两架。

桁架支撑机翼布局客机总体设计的综合分析与优化，法国蓝鹰航空公司计划采购 4 架，使得 HD-32 飞机市场预期达到 150 架。Hur备交于法国东南飞机制造公司制造，但这批订单最后没有落实。不过，法国国家对这种布局飞机感兴趣，评估是否能够优于波音 B17。设计方案最终被修改满足时间和更低的飞行速度，用于测绘，购买了八架飞机，这一批飞机被命名为 ubois 公司后续还研发了 HD-35 和 HD-37 两个版本，但均未被制造。这一阶段的了桁架支撑机翼布局在大展弦比飞机重量方面的优势。 1975 年，这个构型再次被 Pfenninger[47-49]提及，做出了另一项突破性的进展，将到桁架支撑机翼布局，使得机翼表面层流达到 70%。他相继提出了三种方案，分马赫数 0.78，0.83 和 0.97 的三个方案。图 1.6 展示了巡航马赫数 0.78 的方案，弦比 16.3，升阻比 48，最大起飞重量 400000 kg。

南京航空航天大学博士学位论文告[28]，报告中主要对第一阶段的 SUGAR High（0765-095）方案进行了更改，共有五个型本，各版本之间的区别在于动力系统不同。
【参考文献】

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本文编号：2869577