兩棲飛機綜合氣動性能優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、兩棲飛機的氣動設(shè)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(shù),發(fā)展了一種兩棲飛機綜合氣動性能的優(yōu)化設(shè)計流程和方法。文中針對水上起飛和巡航兩個設(shè)計點,使用水動阻力分解法、RANS方法和響應(yīng)面技術(shù)相結(jié)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(biāo)模數(shù)據(jù),對基于RANS方法的水

2、動力以及空氣動力數(shù)值計算方法進行了驗證。其次,根據(jù)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(shè)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(chǔ)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(yīng)用于兩棲飛機起飛過程的數(shù)值模擬中,將單次內(nèi)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(nèi)的黏壓阻力系

3、數(shù)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(shù)值分析提供一種高精度和高效率的數(shù)值方法,本論文進一步將上述計算方法與響應(yīng)面優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合,對兩棲飛機的機身斷階的位置以及深度兩個參數(shù)進行了優(yōu)化,優(yōu)化目標(biāo)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(jié)果表明:機身斷階的兩個參數(shù)與巡航性能是單調(diào)變化關(guān)系,

4、而水上起飛距離最小的最優(yōu)設(shè)計可以通過優(yōu)化方法求得。
　　機翼設(shè)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(shù)與巡航性能之間的單調(diào)關(guān)系使得可以以巡航性能為目標(biāo)函數(shù),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(zhuǎn)角分布進行了巡航阻力以及翼根彎矩雙目標(biāo)的優(yōu)化研究。雙目標(biāo)的Pareto尋優(yōu)采用雙迭代方法完成,展向扭轉(zhuǎn)角的設(shè)計為整個迭代求解的內(nèi)迭代,平面形狀優(yōu)化為外迭代,利用DOE方法產(chǎn)生20組的平面形狀參數(shù)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(zhuǎn)角分布,最后得到各個平面形狀對應(yīng)的兩個目標(biāo)函數(shù)的響應(yīng)面結(jié)果,通過響應(yīng)面產(chǎn)生的兩個目標(biāo)函數(shù)的解集可以得到所有設(shè)計參數(shù)對應(yīng)的Pareto鋒面。該優(yōu)化方法對于機翼巡航效率的工程設(shè)計有一定的意義。
　　本文緊密結(jié)合兩棲飛機氣動設(shè)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(yīng)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(shù)和較強工程約束條件