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客机机翼气动/结构多学科设计优化研究

胡婕  
【摘要】:在客机的初步设计阶段,机翼的气动/结构一体化设计是一个典型的多变量、高耦合度的多学科设计优化问题。一方面,它涉及到飞机外形参数、机翼结构布置参数、结构属性参数等大量参数;另一方面,气动与结构学科间的耦合关系复杂,存在气动弹性效应等不可忽略的影响。本文以机翼为研究对象,旨在研究一种实用有效的气动/结构多学科优化流程,为客机机翼气动效率与重量之间的权衡分析提供有效的工具。以客机机翼的初步设计为背景,主要研究内容如下: 1)提炼并定义机翼的气动/结构一体化设计问题,分析其气动、结构学科间的相互作用,给出有效的解耦方案。结合基于代理模型的二级优化方法,针对耦合程度不同的机翼MDO问题,就是否考虑静气动弹性,提出了两种综合优化策略。 2)对翼身组合体外形、机翼结构等进行参数化分析,为所有涉及的参数建立了统一的管理文档,从而为多学科模型的自动生成提供了统一的输入文件。 3)综合利用CAD/CFD/CSD等软件协作技术,编写程序自动化生成具有较高精度的多学科分析模型。包括基于全速势方程的气动分析模型、基于NASTRAN的结构仿真模型和应用MATLAB的学科间数据传递模块等。并在这些程序的基础上,对机翼的静气动弹性问题进行快速准确的数值模拟研究,建立了参数化、自动化、模块化的气动/结构耦合仿真平台。 4)根据提出的机翼多学科优化策略,制定了机翼气动/结构MDO的具体实施流程。在iSIGHT-FD环境下建立了多学科设计优化计算环境,实现了机翼气动/结构MDO的自动化分析和仿真。 5)在建立的两种MDO环境下,以客机机翼为研究对象,进行不考虑和考虑静气动弹性的机翼气动/结构多学科设计优化,并对结果进行分析和对比。算例结果表明,本文提出的机翼气动/结构MDO流程可行,建立的计算环境稳定有效,可用于解决机翼的气动/结构一体化初步设计问题。


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