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倾转旋翼机气动/动力学多学科设计优化研究

薛立鹏  
【摘要】:倾转旋翼机的设计必须同时满足直升机和飞机这两种不同飞行模式的要求,是典型的多目标设计问题;倾转旋翼机的研制涉及到空气动力学、结构动力学、飞行力学等多门学科,这些学科相互影响、相互耦合,也是典型的多学科设计问题;而优化技术正是解决这些问题的有效手段。 本文在分析国内外倾转旋翼机研究状况的基础上,针对倾转旋翼机研制最为关键的气动和动力学设计问题,分别建立了倾转旋翼机的气动分析模型和动力学分析模型,研究了多目标优化技术和多学科设计优化技术在倾转旋翼机设计中的应用。 基于自由尾迹分析方法建立了倾转旋翼的气动分析模型,考虑了倾转旋翼桨叶大的非线性负扭转及弦长和厚度非线性分布的特点,计入了尾迹及其收缩和桨-涡干扰对诱导速度的影响,能够更准确的描述旋翼的气动环境。同时开展了倾转旋翼气动性能及旋翼和机翼之间的气动干扰试验,通过理论计算结果与试验数据对比验证了倾转旋翼气动分析模型的正确性;开展了变直径倾转旋翼设计和变直径倾转旋翼气动试验,得到了一些有意义的结论。在气动建模的基础上,以悬停和巡航效率为目标函数,以桨叶气动外形参数为设计变量,建立了倾转旋翼的气动优化模型,分别采用多岛遗传算法、多目标遗传算法及多目标协同优化策略对倾转旋翼的悬停和巡航状态进行了单目标和多目标气动优化设计。 基于刚性桨叶、刚体短舱及弹性机翼的假设,建立了倾转旋翼/短舱/机翼耦合系统动力学分析模型,模型计入了桨叶的变距/挥舞/摆振结构耦合及变距与万向铰的耦合、机翼弯扭耦合;在此基础上,分析了倾转旋翼机在悬停和巡航状态时的动力学特性、气弹响应及倾转旋翼、机翼参数对倾转旋翼机动力学特性的影响规律,并以算例验证了计算模型的正确性。 在建立的面向设计的倾转旋翼机气动和动力学分析模型的基础上,分析了倾转旋翼机气动和动力学两学科之间的耦合关系,采用试验设计的方法研究了倾转旋翼机设计参数对倾转旋翼机气动及动力学特性的影响规律,并以悬停和巡航效率及巡航时最小模态阻尼为优化目标,以旋翼和机翼气动参数及动力学参数为设计变量,建立了倾转旋翼机气动/动力学多学科设计优化模型,优化中采用了多学科可行优化方法(MDF)和协同优化方法(CO),提出了基于气动和动力学学科分解及基于悬停和巡航状态分解的倾转旋翼机气动/动力学多学科设计优化框架,采用了代理模型(Surrogate Model)技术和混和搜索策略来求解该优化问题,在保证优化结果具有较高的可靠性的基础上提高了计算效率;按照上述优化方法和优化策略实现了倾转旋翼机气动/动力学的多学科设计优化,得到了全局最优设计参数,优化结果表明在满足约束条件的情况下倾转旋翼机的气动效率和动力学特性得到了提高和改善,最大前飞速度得到了提升,从而提高了倾转旋翼机的整体性能,形成了一套适用于倾转旋翼机的气动/动力学多学科设计优化系统。


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