基于梯度的气动/结构多学科优化方法及应用研究
发布时间：2021-02-02 10:01
轻量化的大展弦比机翼技术,因具有低诱导阻力的技术特性,成为先进民用客机以及高空长航时无人机最为关切的技术之一。相比于常规飞行器,轻量化设计的大展弦比机翼具有更为突出的气动弹性问题,如静气动弹性变形以及颤振等。如何综合考虑静气动弹性变形以及颤振进行气动、结构多学科设计,成为能否充分挖掘其技术潜力的关键问题。静气动弹性以及颤振特性的引入,对发展高效、鲁棒的,具有处理大规模设计变量能力的多学科优化设计方法,提出了极大的挑战。气动、结构以及气动弹性学科间的紧耦合特征,促使需要从多学科耦合的角度揭示轻量化大展弦比机翼的设计原理和特点。针对以上问题,本文借助伴随理论以及改进的Chebyshev谱方法,采用高、低精度分析模型搭配的方式,发展了可综合考虑静气动弹性变形以及线性颤振特性影响的,基于梯度的气动/结构多学科优化设计方法。针对典型的大展弦比柔性机翼,利用建立的优化设计方法开展了,在静气动弹性变形以及线性颤振特性影响下的气动减阻,以及结构质量和刚度分布设计特点的探索性研究。本文的主要研究工作和解决的问题如下:1、针对静力学问题,采用高可信度求解器和基于梯度的优化算法,构建了具有处理大规模设计变量...
【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：179 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
商业民用客机机翼展弦比发展趋势
(a) 太阳神μ无人机 (b) 鬼眼μ无人机图 1-3 不同布局形式的大展弦比无人机大展弦比机翼虽然可以显著的降低飞行器的巡航阻力，提高升阻比，但是却给飞行设计带来了不小的挑战。比如在相同承载条件下，展弦比的增大必然带来翼根弯矩加，从而导致结构重量不可避免的增大，这就需要更为精细化的结构设计。除此之大展弦比机翼具有更为明显的气动弹性效应，当采用轻量化的结构设计技术以后，柔性较大，气动弹性效应也将更为明显。因此，针对这类飞行器，需要进行考虑气性影响的气动/结构综合优化设计。一方面，对于大展弦比柔性机翼而言，由于静气动弹性变形影响，机翼将发生明显曲和扭转变形，从气动学科角度来看，这会造成使用工况下，机翼的气动外形以及分布明显地偏离单学科的气动设计结果，造成机翼阻力增大，阻力发散、抖振等非点气动性能恶化。为了研究静气动弹性变形对大展弦比柔性飞行器气动性能的影响 NASA 于 2010 年专门设立了“Elastically shape future Air Vehicle Concept”的研究[11]。项目研究结论表明，虽然静气动弹性变形会使得实际的机翼外形偏离设计结果，如果能够采用被动/主动控制技术充分利用大展弦比机翼柔性较大特点，反而可在
图 1-4 梯度算法与进化式算法对目标函数调用次数随优化问题维度增加的变化趋势对比基于梯度优化算法的气动/结构多学科优化设计方法而言，除了提高有大规模设计变量和多设计约束的优化问题的搜索性能外[87]，如何准标函数对设计变量的梯度，是决定该设计方法能否实现的决定性因素梯度求解方法包括解析求导、有限差分法、复变量差分法[88,89]以及伴于气动、结构耦合问题，因高可信度求解方法的控制方程形式复杂，导。有限差分是一种易于实现的求导方法，但是导数的计算结果在数[92]。复变量差分法的计算精度受差分步长影响较小，可以获得比较精限差分还是复变量法在计算目标函数的导数时，都需要对目标函数标函数的计算次数与设计变量的个数成正比。对于气动/结构多学科优变量个数少则上百，多则上千甚至更多。若采用复变量差分法或有限梯度需要反复调用 CFD 以及 CSD 求解器进行目标函数的计算，导代价。伴随方法只需一次方程求解过程，即可获得目标函数相对于所，计算量与设计变量个数无关，并且求解精度较高。因此，基于伴随
【参考文献】：
期刊论文
[1]飞行器气动/结构多学科延迟耦合伴随系统数值研究[J]. 黄江涛,周铸,刘刚,高正红,黄勇,王运涛. 航空学报. 2018(05)
[2]民用客机变弯度机翼优化设计[J]. 郭同彪,白俊强,李立,陈颂. 中国科学:技术科学. 2018(01)
[3]考虑静气动弹性影响的客机机翼气动/结构一体化设计研究[J]. 杨体浩,白俊强,辛亮,孙智伟,史亚云. 空气动力学学报. 2017(04)
[4]高空长航时太阳能无人机高效气动力设计新挑战[J]. 段卓毅,王伟,耿建中,张健,李军府. 空气动力学学报. 2017(02)
[5]适用于参数可调结构的非定常气动力降阶建模方法[J]. 王梓伊,张伟伟. 航空学报. 2017(06)
[6]民用客机机翼/机身/平尾构型气动外形优化设计[J]. 陈颂,白俊强,史亚云,乔磊. 航空学报. 2015(10)
[7]考虑几何非线性效应的大展弦比机翼气动弹性分析[J]. 杨智春,张惠,谷迎松,宋淼. 振动与冲击. 2014(16)
[8]考虑发动机干扰的尾吊布局后体气动优化设计[J]. 杨体浩,白俊强,王丹,陈颂,徐家宽,陈圆圆. 航空学报. 2014(07)
[9]改进的RBF神经网络在翼梢小翼优化设计中的应用[J]. 白俊强,王丹,何小龙,李权,郭兆电. 航空学报. 2014(07)
[10]机翼-机身-短舱-挂架外形气动优化设计方法[J]. 左英桃,傅林,高正红,邵其林,白俊强. 航空动力学报. 2013(09)
博士论文
[1]叶轮机械非定常伴随优化[D]. 马灿.清华大学 2016
[2]基于梯度的气动外形优化设计方法及应用[D]. 陈颂.西北工业大学 2016
[3]高空长航时无人机多学科设计若干问题研究[D]. 孙智伟.西北工业大学 2016
[4]飞行器气动外形优化设计方法研究与应用[D]. 王丹.西北工业大学 2015
[5]基于控制理论的气动优化设计技术研究[D]. 杨旭东.西北工业大学 2002
本文编号：3014511
【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：179 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
商业民用客机机翼展弦比发展趋势
(a) 太阳神μ无人机 (b) 鬼眼μ无人机图 1-3 不同布局形式的大展弦比无人机大展弦比机翼虽然可以显著的降低飞行器的巡航阻力，提高升阻比，但是却给飞行设计带来了不小的挑战。比如在相同承载条件下，展弦比的增大必然带来翼根弯矩加，从而导致结构重量不可避免的增大，这就需要更为精细化的结构设计。除此之大展弦比机翼具有更为明显的气动弹性效应，当采用轻量化的结构设计技术以后，柔性较大，气动弹性效应也将更为明显。因此，针对这类飞行器，需要进行考虑气性影响的气动/结构综合优化设计。一方面，对于大展弦比柔性机翼而言，由于静气动弹性变形影响，机翼将发生明显曲和扭转变形，从气动学科角度来看，这会造成使用工况下，机翼的气动外形以及分布明显地偏离单学科的气动设计结果，造成机翼阻力增大，阻力发散、抖振等非点气动性能恶化。为了研究静气动弹性变形对大展弦比柔性飞行器气动性能的影响 NASA 于 2010 年专门设立了“Elastically shape future Air Vehicle Concept”的研究[11]。项目研究结论表明，虽然静气动弹性变形会使得实际的机翼外形偏离设计结果，如果能够采用被动/主动控制技术充分利用大展弦比机翼柔性较大特点，反而可在
图 1-4 梯度算法与进化式算法对目标函数调用次数随优化问题维度增加的变化趋势对比基于梯度优化算法的气动/结构多学科优化设计方法而言，除了提高有大规模设计变量和多设计约束的优化问题的搜索性能外[87]，如何准标函数对设计变量的梯度，是决定该设计方法能否实现的决定性因素梯度求解方法包括解析求导、有限差分法、复变量差分法[88,89]以及伴于气动、结构耦合问题，因高可信度求解方法的控制方程形式复杂，导。有限差分是一种易于实现的求导方法，但是导数的计算结果在数[92]。复变量差分法的计算精度受差分步长影响较小，可以获得比较精限差分还是复变量法在计算目标函数的导数时，都需要对目标函数标函数的计算次数与设计变量的个数成正比。对于气动/结构多学科优变量个数少则上百，多则上千甚至更多。若采用复变量差分法或有限梯度需要反复调用 CFD 以及 CSD 求解器进行目标函数的计算，导代价。伴随方法只需一次方程求解过程，即可获得目标函数相对于所，计算量与设计变量个数无关，并且求解精度较高。因此，基于伴随
【参考文献】：
期刊论文
[1]飞行器气动/结构多学科延迟耦合伴随系统数值研究[J]. 黄江涛,周铸,刘刚,高正红,黄勇,王运涛. 航空学报. 2018(05)
[2]民用客机变弯度机翼优化设计[J]. 郭同彪,白俊强,李立,陈颂. 中国科学:技术科学. 2018(01)
[3]考虑静气动弹性影响的客机机翼气动/结构一体化设计研究[J]. 杨体浩,白俊强,辛亮,孙智伟,史亚云. 空气动力学学报. 2017(04)
[4]高空长航时太阳能无人机高效气动力设计新挑战[J]. 段卓毅,王伟,耿建中,张健,李军府. 空气动力学学报. 2017(02)
[5]适用于参数可调结构的非定常气动力降阶建模方法[J]. 王梓伊,张伟伟. 航空学报. 2017(06)
[6]民用客机机翼/机身/平尾构型气动外形优化设计[J]. 陈颂,白俊强,史亚云,乔磊. 航空学报. 2015(10)
[7]考虑几何非线性效应的大展弦比机翼气动弹性分析[J]. 杨智春,张惠,谷迎松,宋淼. 振动与冲击. 2014(16)
[8]考虑发动机干扰的尾吊布局后体气动优化设计[J]. 杨体浩,白俊强,王丹,陈颂,徐家宽,陈圆圆. 航空学报. 2014(07)
[9]改进的RBF神经网络在翼梢小翼优化设计中的应用[J]. 白俊强,王丹,何小龙,李权,郭兆电. 航空学报. 2014(07)
[10]机翼-机身-短舱-挂架外形气动优化设计方法[J]. 左英桃,傅林,高正红,邵其林,白俊强. 航空动力学报. 2013(09)
博士论文
[1]叶轮机械非定常伴随优化[D]. 马灿.清华大学 2016
[2]基于梯度的气动外形优化设计方法及应用[D]. 陈颂.西北工业大学 2016
[3]高空长航时无人机多学科设计若干问题研究[D]. 孙智伟.西北工业大学 2016
[4]飞行器气动外形优化设计方法研究与应用[D]. 王丹.西北工业大学 2015
[5]基于控制理论的气动优化设计技术研究[D]. 杨旭东.西北工业大学 2002
本文编号：3014511
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