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工程约束下基于自由曲面方法的机头气动修形设计

黄杉  
【摘要】:对于民用飞机而言,在全机升力基本确定的情况下,要尽可能减小全机阻力,提高升阻比,从而提高飞机巡航效率。飞机机身虽然对提高升力作用不大,但是会产生较大阻力,机头作为机身的一部分,如果外形设计不合理,会对全机的气动性能产生影响。驾驶舱上部如果在巡航态存在超音速区,不仅会增加机头阻力,而且还会产生噪声,所以需要对机头进行气动外形优化设计,尽可能减小机头阻力,消除机头部位的超音速区。机头的设计既要满足人机工效、各式各样驾驶仪等繁多的约束条件,又要尽可能降低机头阻力及超音速区,获得较优的气动特性,难度相当之大。因此需要寻找合适的参数化建模方法来对机头进行成形,选用的参数化方法不仅能完全表达机头外形,还要求对外形的可修改性强,数值计算的稳定性也要好。 在传统的飞机建模过程中应用较多的是二次曲线,因为它具有良好的气动特性,但是单一的控制参数使其外形变化受到限制,而灵活的外形变化恰是NURBS曲线的主要特点。本文提出采用NURBS曲线曲面方法,取描述控制点位置的相对长度与角度为设计参数,根据飞机设计过程中总体布置提供的布置及人机工效约束条件对机头进行建模与气动修形。首先根据单曲面风挡机头的外形特点,给出了机头主要控制线的NURBS建模方法,并由此建模方法对机头进行成形。对得到的机头模型进行CFD计算分析,经过几轮参数优化,使机头满足气动约束条件。此后在修形后机头的基础上,提出在风挡区域增加横向控制线,来调节风挡局部区域的气流流动,改善机头的气动性能。最后对三种风挡类型机头进行了对比分析。 NURBS参数化方法在翼型及机翼等优化设计中应用较多,本文将NURBS方法应用到机头的建模中,并融合了实际的工程约束,为后期结合优化算法对机头进行气动优化奠定了基础。研究结果表明:采用NURBS方法构造参数化外形能够得到符合设计要求的机头外形,而且对机头外形控制更加灵活;增加风挡区域的横向控制线改善了风挡局部区域的气流流动;通过对三种不同类型风挡机头的建模、计算分析,了解了它们各自的优缺点。本文的研究成果为更深入探讨机头的气动优化设计,更好地设计机头外形提供了重要参考。


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