跨声速机翼气动弹性优化设计

发布时间：2017-09-30 05:38

  本文关键词：跨声速机翼气动弹性优化设计

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【摘要】：基于线化理论的气动力模型计算量小,广泛应用于亚声速和超声速气动弹性分析和气动弹性优化设计,但线化理论无法考虑到跨声速区域非定常气动力的非线性效应。直接基于CFD的气动弹性分析方法有效解决了跨声速非线性气动弹性问题,但直接基于CFD的气动弹性分析方法计算量大,只适合作为验证工具进行气动弹性校核,不适用于气动弹性优化设计。基于CFD的非定常流场降阶建模方法极大提高了跨声速气动弹性分析效率,但现有的非定常流场降阶建模方法都基于给定的物理振型,建立的非定常流场降阶模型只能用于给定物理振型的气动弹性分析。当结构发生变化时,物理振型发生变化,需重新建立新的降阶模型用于新结构的气动弹性分析,在建立降阶模型的过程中,需调用CFD求解器。因此,如果将现有的非定常流场降阶建模方法应用于气动弹性优化设计,则意味着CFD求解器的反复调用,CFD求解器反复调用带来的计算量问题限制了现有的非定常流场降阶建模方法在气动弹性优化设计中的应用。为此,提出一种不基于实际物理振型的非定常气动力降阶建模方法,该方法可用于计算气动外形确定但结构任意的机翼在模态激励信号作用下的模态气动力,利用模态激励信号和模态气动力建立基于物理振型的非常气动力降阶模型,耦合结构模型,得到气动弹性系统降阶模型,该模型可快速预测结构的气动弹性特性。计算模态气动力的方法实际上取代了现有的基于物理振型的降阶建模过程中用到的CFD求解器,但是其计算量却是秒级的。因此,可将提出的颤振分析方法视为适用于任意结构(任意振型)的颤振分析方法,将其应用于气动弹性优化设计,相较于直接基于CFD的气动弹性分析方法,能够将效率提高1000倍以上,相较于现有的非定常气动力降阶建模方法,能够将效率提高40倍以上。将适用于任意振型的颤振分析方法应用于跨声速机翼气动弹性优化设计,采用有效集法和差分进化算法分别对机翼结构进行局域优化设计和全局优化设计。用有效集法优化时,机翼结构减重10%至40%。有效集法为局域优化算法,用有效集法优化得到的结果为局域最优结果。差分进化算法为全局优化算法,用差分进化算法优化得到的结果为全局最优结果。用差分进化算法优化得到的机翼结构要比用有效集法优化得到的局域最优结构轻15.78%以上。
【关键词】：降阶建模 任意振型 跨声速 气动弹性 优化设计
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V224
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-15
• §1.1 非定常气动力降阶建模概述10-12
• §1.2 机翼气动弹性优化设计概述12-13
• §1.3 本文研究目的和主要工作13-15
• 第二章 CFD流场求解15-27
• §2.1 网格技术15-18
• §2.1.1 非结构混合网格生成15-16
• §2.1.2 运动网格技术16-18
• §2.2 流动控制方程18-21
• §2.2.1 雷诺平均N-S方程18-20
• §2.2.2 SST湍流模型20-21
• §2.3 控制方程的求解21-27
• §2.3.1 有限体积法21-23
• §2.3.2 空间离散23-24
• §2.3.3 双时间推进24-25
• §2.3.4 边界条件25-27
• 第三章 非定常气动力降阶建模27-50
• §3.1 适用于固定振型的非定常气动力降阶建模27-29
• §3.2 适用于任意振型的非定常气动力降阶建模29-34
• §3.3 颤振分析方法34-36
• §3.4 ROM-PMS验证36-37
• §3.5 ROM-AMS验证37-47
• §3.5.1 基点选择38-40
• §3.5.2 基于基振型的非定常气动力降阶建模40-42
• §3.5.3 基于振型的广义气动力系数计算42-44
• §3.5.4 颤振分析应用44-47
• §3.6 计算效率对比47-49
• §3.7 本章小结49-50
• 第四章 跨声速机翼气动弹性优化设计50-70
• §4.1 优化问题描述50-52
• §4.2 结构参数化建模52
• §4.3 优化算法52-59
• §4.3.1 fmincon函数52-54
• §4.3.2 差分进化算法54-59
• §4.4 优化结果59-68
• §4.4.1 局域优化结果59-63
• §4.4.2 全局优化结果63-68
• §4.5 本章小结68-70
• 第五章 研究工作总结与展望70-72
• §5.1 研究工作总结70
• §5.2 研究工作展望70-72
• 参考文献72-78
• 硕士期间发表论文及获得奖励78-79
• 致谢79-80

【参考文献】

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1 李少华;杨智春;谷迎松;赵德玉;;复合材料连翼的气动弹性剪裁研究[J];西北工业大学学报;2008年03期

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本文编号：946485