兩棲飛機綜合氣動性能優(yōu)化設計.pdf

1、兩棲飛機的氣動設計具有獨特的挑戰(zhàn),需要滿足水上起飛、陸地起飛和空中巡航性能的綜合最優(yōu)。本文采用基于RANS方法的CFD技術,發(fā)展了一種兩棲飛機綜合氣動性能的優(yōu)化設計流程和方法。文中針對水上起飛和巡航兩個設計點,使用水動阻力分解法、RANS方法和響應面技術相結合的優(yōu)化方法,針對機身斷階位置和深度,以及機翼平面形狀,完成了兩棲飛機水上起飛以及空中巡航兩個狀態(tài)的綜合優(yōu)化。
　　首先,使用Wigley和F6標模數據,對基于RANS方法的水

2、動力以及空氣動力數值計算方法進行了驗證。其次,根據對兩棲飛機水上起飛過程的分析,提出一種適用于滿足工程設計精度要求的水動力和空氣動力解耦分析的方法來求解兩棲飛機水上起飛的全過程,并且基于該方法,對某型號兩棲飛機的水上起飛過程進行了分析計算。在此基礎上,為了進一步提高計算效率,將基于水動阻力分解原理的求解方法創(chuàng)造性地應用于兩棲飛機起飛過程的數值模擬中,將單次內迭代中水動阻力的求解時間降低了45％左右,并且通過對于不同速度范圍內的黏壓阻力系

3、數的不同取值,滿足了對求解精度的要求。
　　空氣動力和水動力解耦分析,以及水動阻力分解計算方法為水上飛機起飛過程的數值分析提供一種高精度和高效率的數值方法,本論文進一步將上述計算方法與響應面優(yōu)化技術相結合,對兩棲飛機的機身斷階的位置以及深度兩個參數進行了優(yōu)化,優(yōu)化目標為水上起飛的起飛距離以及巡航態(tài)的升阻比。采用RANS方法求解固定攻角的巡航態(tài)升阻比、阻力分解法求解水上起飛距離。結果表明:機身斷階的兩個參數與巡航性能是單調變化關系,

4、而水上起飛距離最小的最優(yōu)設計可以通過優(yōu)化方法求得。
　　機翼設計對飛機起飛和巡航性能都有重要的影響,而機身斷階參數與巡航性能之間的單調關系使得可以以巡航性能為目標函數,對固定平面形狀拓撲以及較強工程約束條件下的機翼平面形狀以及展向扭轉角分布進行了巡航阻力以及翼根彎矩雙目標的優(yōu)化研究。雙目標的Pareto尋優(yōu)采用雙迭代方法完成,展向扭轉角的設計為整個迭代求解的內迭代,平面形狀優(yōu)化為外迭代,利用DOE方法產生20組的平面形狀參數的樣本

5、點組合,對于每一個平面外形求解最佳的展向扭轉角分布,最后得到各個平面形狀對應的兩個目標函數的響應面結果,通過響應面產生的兩個目標函數的解集可以得到所有設計參數對應的Pareto鋒面。該優(yōu)化方法對于機翼巡航效率的工程設計有一定的意義。
　　本文緊密結合兩棲飛機氣動設計的特點,針對飛機水上起飛和空中巡航兩個狀態(tài),采用水動力和空氣動力解耦分析,并應用水動阻力分解方法,建立了兩棲飛機氣動性能的綜合優(yōu)化框架,對機身斷階參數和較強工程約束條件