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《西北工业大学》 2016年
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大规模结构高效静气弹多学科优化设计研究

贾欢  
【摘要】:现代飞机结构的轻量化需求使得机翼柔度变大,静气弹效应愈加显著。传统工程结构设计优化往往只考虑结构本身的强度刚度性能,并未直接考虑静气弹效应带来的诸如飞机升力效率、副翼效率、焦点位置变化等影响,这使得无法获得满足不同学科需求的最佳结构。随着现代飞机结构更精细化设计以及更深层次挖掘结构潜能的需求,结构设计变量的数量和各学科模型的规模越来越大,结构静气弹多学科优化方法在处理这种大规模优化问题时面临着求解效率低、计算代价大以及导数信息获取困难等挑战,这限制了飞机结构的进一步精细优化设计。本文旨在通过改进亚声速工程面元法求解精度,提高静气弹求解效率以及构造静气弹设计敏度算法等,与大规模结构优化方法结合,力图解决大规模结构静气弹多学科优化面临的技术难点,主要研究工作如下:为着实现机翼弹性气动载荷的高效率与高精度计算,针对高精度计算流体力学(CFD)方法计算耗时过长的矛盾,本文采用工程处理观点,提出了一种改进的亚声速工程面元法—分段精细修正面元法。技术途径为:采用多个迎角下的刚性机翼高精度CFD气动力数据,进行工程面元法的分段修正,获取多段修正因子矩阵;同时,将机翼弹性变形的下洗分段,利用所获取的修正因子矩阵提高机翼弹性气动载荷的计算精度与效率。为进一步提高分段精细修正面元法计算精度,本文提出了一种面元网格划分优化算法,该算法以机翼面元展向和弦向划分数目为优化变量,以静气弹计算中机翼在一较大弹性变形下的高精度CFD气动力数据为基础,在ISGHIT软件平台上对面元网格实现最优划分,使得最优面元网格划分下的修正面元法弹性气动载荷计算结果与高精度CFD结果更为接近。为提高气动与结构耦合界面的数据传递精度与效率,本文采用数值精度高、适应性好的基于径向基函数(RBF)数据传递方法,并对其紧支半径以及传递节点及其数量提出了选择规则,提高了RBF方法的计算效率。工程中的静气弹性能往往采用简单定义,不能完全反映静气弹效应给飞机气动效率及操稳特性带来的影响。本文采用静气弹性能的精确定义并利用复步长求导方法,结合分段精细修正面元法构造了求解升力效率、副翼效率、焦点弦向位置变化率的高效算法,完成了算法程序设计。其中,提出一种双重迭代计算副翼效率的方法,不但能准确求解副翼效率还能计算飞机定常滚转速率,充分反映了机翼弹性和副翼偏角给飞机滚转机动性能带来的影响。为了给予设计者更多的参考信息,本文还提出了弹性升力迎角补偿算法以及弹性滚转速率副翼偏角补偿算法,以求得定载与定速滚转情况下的迎角补偿量与副翼偏角补偿量;同时,设计了机翼发散速度与反效速度的低阶估算算法。基于梯度信息类的优化算法是大规模结构数值优化常用的一种高效算法,为了给予这类优化方法导数信息支持,本文利用所提出的分段精细修正面元法构造了静气弹设计敏度半解析算法,并采取多项措施提高其计算效率。为适应大规模结构静气弹多学科优化程序的模块化组织,本文编写了求解高效、读写规范的静气弹求解程序模块,并通过OPENMP并行技术进一步提高了程序计算效率。通过M6机翼静气弹性能算例考察,并与高精度CFD数据、NASTRAN软件计算结果比较,表明本文提出的多项静气弹性能求解算法以及程序设计具有精度高、效率好的技术优势。最后,综合分析了结构静气弹多学科优化的原理与特点,并利用.MASS文件实现不同工况下不同集中质量加载。文中总结了工程中常用的结构设计约束,阐述了本课题组开发的大规模结构优化程序中的数值优化算法以及约束筛选、变量降维、文件组织、并行处理等核心技术。在该程序基础上,本文完成了静气弹性能约束的并入集成,形成了大规模结构静气弹多学科优化程序。在此工作基础上,本文对一飞翼无人机结构采用699个设计变量,施加4种强度设计工况、2种飞行工况以及近10种约束,进行了结构静气弹多学科数值优化计算,并对优化结果进行了分析校验。结果表明本文采用的大规模结构静气弹多学科优化方法计算高效,并减少结构重量15.66%,优化结果满足工程约束。另外,通过5种不同的约束组合进行结构多学科优化结果比较,分析了各约束对结构重量的影响,以助于发掘结构设计规律。
【学位授予单位】:西北工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:V279

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