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飞翼布局飞机总体多学科设计优化研究

胡添元  
【摘要】:飞翼是一种非常规布局型式,飞翼布局飞机的总体设计缺乏历史数据(统计数据)可供参考,而且涉及气动、隐身、结构、重量重心和性能等多个学科,一些学科之间还存在耦合关系。因此,采用多学科设计优化是解决飞翼布局飞机总体设计问题的有效方法。本文旨在研究飞翼布局飞机总体多学科设计优化方法,主要内容如下: 1)提出一种飞翼布局飞机总体多学科设计优化策略,该策略将优化设计流程分为系统级优化和子系统级优化(或分析)两个层次。系统级优化的任务是通过调整全局外形设计变量,使系统目标或多个目标性能最优。子系统级优化(或分析)包括气动/隐身一体化设计、结构优化、重量重心计算和性能分析。气动/隐身一体化设计的任务是对局部外形设计变量进行优化,在满足隐身性能前提下,使升阻比最大;结构优化的任务是对结构尺寸进行优化,使结构重量最轻。重量重心计算的任务是计算燃油重量以及在不同装载和油耗情况下重心的变化范围;性能分析的任务是计算起飞距离、着陆距离、海平面最大爬升率、作战半径和转场航程。为了减少优化过程中的计算量,采用基于代理模型的二级优化方法。 2)针对飞翼布局飞机外形特点,研究一种飞翼外形参数化数学模型,包括总体轮廓参数化模型、主剖面参数化模型和过渡面参数化模型。基于该模型,应用CATIA二次开发技术,编制能自动生成飞翼三维CAD模型程序。 3)为了实现多学科设计优化流程的自动化,应用CATIA二次开发技术、网格生成软件Gridgen的脚本语言和Patran的二次开发语言,编制了一个面向多学科设计优化的模型生成器。该模型生成器基于一个统一的三维CAD模型,可以自动生成各学科的分析模型,实现了从CAD模型到气动、隐身、结构和重量重心分析模型的无缝连接。 4)根据基于代理模型的二级优化方法,提出一种飞翼布局飞机总体多学科设计优化流程,并详细阐述了流程的实现过程。根据该流程,在iSIGHT-FD集成优化平台下建立飞翼布局飞机总体多学科设计优化计算环境,从而实现整个优化过程的自动进行。 5)以单发和多发飞翼布局飞机为研究对象,进行气动、隐身、结构、重量重心和性能多学科设计优化,并对优化结果进行分析。应用算例表明:本文所提出的优化策略是有效的,所采用的技术路线是可行的,能成功解决飞翼布局飞机总体多学科设计优化问题。


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