客機(jī)機(jī)翼氣動結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化方法

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1、客機(jī)機(jī)翼氣動/結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化方法胡婕，余雄慶（南京航空航天大學(xué)飛行器先進(jìn)設(shè)計技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室南京210016）摘要：本文針對機(jī)翼的氣動/結(jié)構(gòu)耦合設(shè)計問題，研究一種實(shí)用有效的數(shù)值模擬方法，提出一種簡便合理的優(yōu)化方法。針對客機(jī)機(jī)翼特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化氣動分析模型和結(jié)構(gòu)有限元模型的自動生成；分析氣動和結(jié)構(gòu)之間耦合關(guān)系分析，研究一種氣動載荷自動加載到結(jié)構(gòu)模型、根據(jù)結(jié)構(gòu)變形自動重新生成外形的方法；提出基于分層思想和傳統(tǒng)迭代優(yōu)化的多學(xué)科優(yōu)化方法；在iSIGHT-FD軟件環(huán)境下實(shí)現(xiàn)機(jī)翼氣動/結(jié)構(gòu)多學(xué)科優(yōu)化計算流程。算例結(jié)果表明

2、，本文提出的機(jī)翼氣動/結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化方法可用于考慮靜氣動彈性的客機(jī)機(jī)翼初步設(shè)計研究。關(guān)鍵詞：機(jī)翼，多學(xué)科優(yōu)化，耦合，氣動，結(jié)構(gòu)引言客機(jī)機(jī)翼設(shè)計是一個典型的多學(xué)科問題。在初始設(shè)計階段，它主要包括氣動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。為兼顧氣動效率要求和結(jié)構(gòu)重量要求，設(shè)計的關(guān)鍵是找到飛機(jī)氣動效率與重量之間的恰好折衷。同時隨著現(xiàn)代高速飛機(jī)速壓增大、尺寸加大，機(jī)翼結(jié)構(gòu)的彈性變形所引起的氣動特性變化十分顯著，忽視這差別會給飛機(jī)設(shè)計帶來嚴(yán)重的影響。因此，這些結(jié)構(gòu)的氣動彈性變形是設(shè)計階段的重點(diǎn)，即機(jī)翼的設(shè)計是氣動和結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化的結(jié)果。雖然采用工程

3、估算方法也可進(jìn)行氣動效率與重量的權(quán)衡分析，但這種方法精度較低。近十幾年來，隨著計算空氣動力學(xué)和結(jié)構(gòu)有限元方法的不斷成熟和普及，應(yīng)用多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化（MDO）方法研究機(jī)翼初步設(shè)計受到了廣泛的關(guān)注[1]。Velden等應(yīng)用MDO研究了大型客機(jī)機(jī)翼氣動/結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計問題[2]。Heinrich等應(yīng)用計算空氣動力學(xué)和結(jié)構(gòu)有限元方法研究了機(jī)翼氣動和結(jié)構(gòu)之間的耦合關(guān)系[3]。Piperni等研究了公務(wù)機(jī)機(jī)翼氣動/結(jié)構(gòu)多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化問題[4]。張科施等研究了一種計及氣動彈性的運(yùn)輸機(jī)機(jī)翼氣動/結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計方法[5]。同時，針

4、對氣動/結(jié)構(gòu)網(wǎng)格交互問題，無限平板樣條（IPS）內(nèi)插值法[6]，常體積轉(zhuǎn)換法[6]等被提出并廣泛應(yīng)用。10本文根據(jù)機(jī)翼設(shè)計中氣動、結(jié)構(gòu)相互作用的特點(diǎn)，合理分解了其設(shè)計分析過程，分別模塊化，使之均具有可替代性。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合二級協(xié)同優(yōu)化方法[1]，給出了針對該問題的簡便、有效的優(yōu)化策略和流程。該優(yōu)化設(shè)計流程中的模型生成和單學(xué)科分析均采用較成熟的商用軟件，便于實(shí)現(xiàn)和更改。一問題分析與規(guī)劃1.1機(jī)翼優(yōu)化問題定義機(jī)翼氣動/結(jié)構(gòu)多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化問題表述如下：設(shè)計目標(biāo)：①升阻比盡量大；②重量盡量小。設(shè)計約束：①滿足升力系數(shù)要

5、求；②滿足強(qiáng)度、剛度要求；③油箱體積要求。設(shè)計變量：①外形參數(shù)；②結(jié)構(gòu)參數(shù)。上述優(yōu)化問題中涉及氣動外形和結(jié)構(gòu)尺寸，且氣動載荷分布影響機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量，結(jié)構(gòu)變形影響氣動特性。單獨(dú)的氣動優(yōu)化方法或結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法無法求解這個優(yōu)化問題，必須應(yīng)用多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法。1.2氣動/結(jié)構(gòu)耦合關(guān)系分析機(jī)翼設(shè)計中氣動與結(jié)構(gòu)的耦合關(guān)系，主要表現(xiàn)為氣動載荷分布對結(jié)構(gòu)重量的影響以及結(jié)構(gòu)彈性變形對氣動特性的反作用。這里引出了兩個耦合變量（相關(guān)變量）：一個是氣動設(shè)計和分析得到的氣動力分布值，同時是結(jié)構(gòu)設(shè)計分析的關(guān)鍵數(shù)據(jù)；另一個是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計分析得到

6、的結(jié)構(gòu)位移（變形）分布值，對氣動力的分布有較大影響。目前對此類變量的處理，并沒有共通有效的處理措施。因此機(jī)翼的氣動/結(jié)構(gòu)耦合優(yōu)化問題解決的關(guān)鍵在于采用何種方式求解能夠使最終結(jié)果收斂于最優(yōu)解[8]。變量之一的氣動力分布值，對結(jié)構(gòu)重量優(yōu)化結(jié)果的影響，主要在于其沿展向的分布。因此將其展向分布特征表現(xiàn)為一個參數(shù)——載荷分布控制參數(shù)（中間位置和翼稍位置升力系數(shù)的比值），從而解除該耦合關(guān)系。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該方法合理。結(jié)構(gòu)位移分布值對氣動計算結(jié)果的影響較為復(fù)雜，無法直接解耦，因此采用了迭代求解的方式。1.3學(xué)科分解和變量分類1

7、01）學(xué)科分解多學(xué)科優(yōu)化中，學(xué)科不僅是常規(guī)意義的不同領(lǐng)域，還泛指系統(tǒng)設(shè)計所包含的子系統(tǒng)，如設(shè)計流程的不同階段等任意獨(dú)立概念的定義。因此針對機(jī)翼氣動、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題，將之分解為廣義上的三個學(xué)科：氣動、結(jié)構(gòu)、耦合。傳統(tǒng)學(xué)科氣動、結(jié)構(gòu)部分，主要針對涉及本學(xué)科的變量做單學(xué)科優(yōu)化，是獨(dú)立子系統(tǒng)；耦合部分解決氣動與結(jié)構(gòu)學(xué)科間的相互作用問題，在氣動、結(jié)構(gòu)獨(dú)立優(yōu)化的基礎(chǔ)上，修正與系統(tǒng)級優(yōu)化目標(biāo)有關(guān)的子系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果，對其他子系統(tǒng)起到協(xié)調(diào)和共享的作用。2）變量分類機(jī)翼的設(shè)計變量，根據(jù)它們對設(shè)計目標(biāo)的影響可以分為以下4類：a.系統(tǒng)變量

8、：后掠角、扭轉(zhuǎn)角、展弦比、根梢比、翼型厚度、氣動載荷展向分布控制參數(shù)。它們影響機(jī)翼上的氣動載荷分布，而氣動載荷的分布對誘導(dǎo)阻力和機(jī)翼重量均有直接影響。b.氣動變量：翼型彎度參數(shù)、翼剖面扭轉(zhuǎn)角。在給定翼型厚度和氣動載荷展向分布的情形下，翼型彎度參數(shù)主要影響阻力特性，扭轉(zhuǎn)角用來滿足氣動載荷展向分布的要求，對重量影響較小。c.結(jié)構(gòu)變量：結(jié)構(gòu)尺寸。該類參數(shù)不會對氣動特性產(chǎn)生直接影