一种联翼式水下滑翔机外形优化设计方法

为增大传统水下滑翔机的升阻比,提高水下滑翔机的运动性能,将航空领域先进的联翼布局与传统水下滑翔机相结合,提出了一种新型的联翼式水下滑翔机,并通过外形优化设计使得联翼式水下滑翔机具有更优的升阻特性.首先,对水下滑翔机主体进行数值仿真模拟,将得到的结果与试验数据进行对比,验证了数值模拟方法的有效性.其次,运用CFD仿真软件比较分析了正交错、负交错和联尾翼3种联翼布局外形的升阻特性,选择升阻比最大的正交错布局作为水下滑翔机的初始外形.然后采用描形参数化方法,建立了联翼式水下滑翔机外形的参数化模型.最后,以最大化升阻比为优化目标,构建Kriging代理模型并采用EGO算法对联翼式水下滑翔机外形进行了优化设计.研究结果表明:优化后的联翼式水下滑翔机外形相比于初始外形,升阻比提高了18.42%;相较于传统水下滑翔机,升阻比提高了23.45%,从而验证了联翼式水下滑翔机具有更优异的升阻特性.本文的研究成果为提高水下滑翔机的滑翔性能提供了一种新思路和途径.     

基于高斯过程回归的机翼/短舱一体化气动优化

为了解决机翼/短舱一体化气动设计的高维非线性优化问题，基于高斯过程回归（GPR）模型提出新型优化设计方法.采用类别形状函数变换（CST）方法对机翼/短舱一体化构型中的翼型进行几何参数化建模；通过控制机翼形状参数、短舱形状参数和短舱安装参数实现机翼/短舱构型变形，该参数化建模过程共计包含50个设计参数.通过GPR模型构建机翼/短舱设计参数与气动性能之间的代理模型，并采用贝叶斯优化（BO）算法实现代理模型的自更新和最优气动外形的获取.结果表明：优化后一体化构型的阻力系数下降了10.95%，通过流场分析发现机翼外形和短舱外形的优化改善了表面流场结构，短舱安装位置的优化减弱了机翼和短舱间的气动干扰.     

基于遗传算法的微型飞行器翼型优化设计

采用遗传算法对微型飞行器翼型进行优化设计,在优化过程中翼型由解析函数线性叠加法表示,通过计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件Fluent对设计的翼型进行了升力系数和阻力系数的气动计算,然后应用遗传算法,以最大升阻比为目标,得到了一组优化的翼型外形参数,并用Isight软件集成实现了计算过程的自动化.     

基于智能算法的汽车气动外形参数多目标优化

为了对汽车外形进行优化设计,利用CFD软件与智能算法相结合的方法,以在天窗微开高速行驶状态下的汽车为优化的对象,选取气动阻力最小、气动升力为0、天窗后缘压强最小为`优化目标,以汽车关键外形参数为设计变量,对汽车气动外形进行多目标优化设计.同时,应用了数据挖掘技术评价设计变量与3个目标函数的影响关系,选取优化后的最佳关键参数制作汽车模型并进行风洞试验验证.研究结果表明:通过遗传算法优化的车身外形,在其他设计目标满足要求的条件下成功地将阻力系数降低了9.5%,并通过风洞试验验证了该智能算法结果的准确性.基于智能算法的汽车气动外形设计具有指导意义与实际应用价值,为汽车气动外形的多目标优化设计提供了一种高效、精确、可靠的先进优化方法.     

遗传算法结合反设计的翼型优化设计研究

针对传统的气动外形优化设计存在计算量大、精度低的不足，以及采用余量修正方法的气动外形反设计存在难以提供合理目标压力的难题，为了提高已有气动外形设计方法的工程实用性，创新性地将优化方法中的遗传算法与反设计的余量修正方法相结合，并采用高精度的CFD分析方法，进行了翼型的气动外形设计。设计实践表明，文中的气动外形设计方法是可行的，且由于在优化方法和反设计方法中采用了不同的CFD分析方法，提高了气动外形设计的效率和精度。     

基于松散式代理模型管理框架的亚音速机翼优化设计方法研究

基于N-S方程的三维气动外形的优化设计一直以来都因为存在众多的设计变量和庞大的计算量问题而无法实现,为了解决这些问题,文中发展了一套机翼气动优化设计系统,该系统基于模拟退火粒子群优化算法、松散式代理模型以及动网格和改进的HicksHenne函数变形技术,选取翼根、翼梢各18个设计变量进行参数化。按某型飞机设计要求,在给定设计指标下进行优化设计,研究了基于松散式代理模型管理框架下,训练样本采用拉丁超立方方法对Kriging代理模型的预测能力进行评估,以及应用该代理模型框架进行了亚音速机翼的气动外形优化设计,结果显示,优化后机翼的气动特性有着显著提高。     

基于Stochastic Kriging的柔性机翼稳健性优化设计

采用随机代理模型方法对柔性机翼气动外形进行稳健性优化设计。相比确定性优化设计,稳健性设计能够考虑设计变量和参数的扰动,保持设计结果在不确定性影响下的性能稳定。采用高精度的气动/结构耦合求解器(耦合Navier-Stokes方程和结构静力学方程)分析柔性机翼的变形情况和气动效率。为了提高优化效率,建立随机Kriging(Stochastic Kriging,SK)代理模型,将确定性的Kriging代理模型发展到随机空间,通过有限次输入得到数据的固有不确定性。对柔性M6机翼的气动外形进行稳健性优化设计,结果表明:相比确定性代理模型的稳健性优化结果,应用随机代理模型的优化结果的设计点阻力系数减小2.8 counts,在可变马赫数范围内阻力系数均值减小3.2 counts,优化结果具有较高的设计点气动效率和阻力发散特性,并且优化后构型的翼根弯矩有明显减小,体现随机代理模型在稳健性优化设计系统中的优势,同时也说明建立的SK代理模型具有较高的预测精度。     

二维增升装置气动外形与驱动机构综合优化研究

为了减少增升装置设计过程中气动外形与驱动机构的往复迭代时间,搭建了二维增升装置气动外形及驱动机构综合优化设计平台,文中对四连杆机构以及连杆滑轨机构约束下的二维多段翼型进行优化设计和分析对比。优化结果显示,四连杆机构和连杆滑轨机构对应的着陆和起飞构型气动性能均有所提升。四连杆机构杆长减小了64.15 mm(2.7%),连杆滑轨机构在不考虑滑轨的情况下,杆长减小237.3 mm(14.7%)。这种气动机构综合优化设计对于缩短增升装置设计周期,降低设计成本具有现实意义。     

基于代理模型的旋翼翼型动态失速优化设计

利用代理模型方法取代计算流体动力学（CFD）方法,开展旋翼翼型的动态失速特性优化设计. 建立基于动网格技术的旋翼翼型非定常气动特性求解方法,获得旋翼翼型在不同外形下的升阻力和力矩气动特性参数. 利用类型转换（CST）翼型参数化方法,对初始翼型进行拟合重构;选取12个设计参数,利用基于自然启发的全局优化差分进化算法,优化目标是降低旋翼翼型的力矩和阻力特性,主要限制条件是保证升力特性不降低和翼型厚度增幅不明显. 将本文的优化设计结果与基于伴随方法和CFD方法的优化结果进行对比. 结果表明,基于Kriging模型的动态失速特性优化方法与伴随方法相比,在二维翼型优化设计上具有更好的寻优性能,优化翼型气动特性的表现更好;该方法与CFD方法相比,在利用全局优化算法的优势下,减少了过早陷入局部最优点的可能性,对比优化结果表明,在力矩和阻力特性相差无几的情况下,升力特性的表现更优.     

基于Pareto遗传算法的机翼多目标优化设计研究

文章将多目标优化方法中的Pareto遗传算法与能准确描述翼型无粘性流动的Euler方程以及旋翼气动分析模型结合起来,以旋翼悬停效率和固定翼的升阻比作为优化设计的目标对需同时满足旋翼和固定翼两种使用要求的机翼进行了多目标优化设计。设计结果表明通过优化设计的机翼在气动性能上得到了提高,达到了优化设计的目的,文中发展的机翼优化设计方法是可行的。     

基于阻力分解方法的气动特性及优化设计研究

在气动外形设计研究中,设计构型的阻力预测一直以来都是一项极具挑战的任务,而对于越来越复杂的构型而言,更是希望能够得到高准确度和高可信度的阻力数值结果。为了能够实现更加高精确度的阻力预测方法,并有针对性地开展气动外形设计研究,首先对比和分析了近场法和远场法进行阻力预测的特点,并提炼出现有主流的几种远场法关于轴向速度损失量(axial velocity defect)公式的优劣势和差异,进而提出了关于轴向速度损失量的改进方法,建立了改进的基于远场法的阻力预测方法和阻力分解方法。其次,在阻力分解方法建立的过程中,由于需要对阻力区域的选择划分进行判断和决定,因此开展了相关参数敏感性的讨论分析。然后,基于构造的阻力分解方法,针对Common Research Model(CRM)翼身组合体构型开展了气动特性研究,结果表明文中的方法不仅可以充分保证力系数的预测精度,还可有效分析不同阻力分量及其对总阻力的影响和具体的贡献占比。最后,将改进的阻力分解方法融入基于梯度的气动外形优化设计系统,针对CRM构型进行了气动外形优化设计,优化结果不仅可通过阻力区域识别函数直观感受阻力分量可视化区域的详细变化情况,还可更加精确地得到优化构型去除伪阻力以后的总阻力与升阻比。     

降低气动舵操纵耦合的高超声速飞行器总体优化研究

针对高超声速飞行器严重耦合特性给控制系统设计带来的问题,从简化控制系统设计的角度出发对飞行器总体提出通道间耦合小的优化设计要求。以气动舵控制的翼身组合体外形高超声速飞行器为研究对象,引入操纵耦合力矩影响作用的度量-操纵耦合度定义;结合工程估算与CFD计算方法建立操纵耦合度与飞行器总体外形参数的表征关系;采用多目标粒子群算法,求解以总体外形参数为决策变量,以各通道操纵耦合度最小为目标函数的优化问题,从而确定可降低气动舵操纵耦合的高超飞行器总体随控优化策略。算例分析表明,提出的高超声速飞行器总体随控优化方法可有效改善气动舵控制高超飞行器的操纵耦合特性,对控制系统设计具有重要意义。     

基于级联前向网络的翼型优化设计

针对应用遗传算法进行气动优化需要巨大计算量和计算时间的问题,采用将级联前向神经网络作为流场计算的代理模型的方法,能够减少计算量和计算时间.采用类别形状函数(CST)参数化方法,对翼型进行参数化,在限定的范围内随机生成翼型样本,应用样本对级联前向神经网络进行训练,用训练后精度达到要求的级联前向网络作为翼型流场数值计算的代理模型.采用单目标的遗传算法,将级联前向网络和流场数值计算的升阻比作为目标函数,将翼型的CST参数作为单位个体的所有基因,对标准翼型进行优化.数值试验表明,用级联前向网络计算出的升阻比可以达到进行气动优化所需要的精度要求,对于给定的优化目标可以节约大量的计算时间.     

联合Wilson方法与遗传算法的水平轴风力机叶片优化设计

考虑到风力机叶片设计中的Wilson方法的有效性,以及遗传算法的全局最优性,以Wilson优化方法所得到的扭角线性修正值作为遗传算法优化过程中的输入量,对叶片弦长重新搜索寻优。通过比较Wilson优化方法、遗传算法优化方法和联合优化设计方法,分别得到叶片的气动外形数据和气动性能的计算结果。结果验证了联合优化设计方法的优越性,比单独使用Wilson方法或遗传算法所得到的叶片优化结果更好。     

参数化艇身阻力特性的全局敏感度及设计空间

为有效降低飞艇艇身外形设计参数的维度、提高设计效率,并给予飞艇艇身初期设计一定的参考和指导.结合PARSEC(parametric section)参数化方法、计算流体力学(Computational fluid dynamics, CFD)方法和基于方差的Sobol全局敏感度分析方法,形成了一套艇身外形参数关于阻力系数敏感度的评价体系.首先,采用物理意义明确的PARSEC方法描述飞艇艇身外形轮廓线.然后,由拉丁超立方抽样(Latin hypercube sampling, LHS)所产生样本艇身的阻力系数通过二维轴对称模型的CFD数值方法得到,CFD数值方法求解精度通过6个典型流线型旋成体的实验数据得到了验证,在保证雷诺数一致的情况下,计算和实验所得艇身阻力系数的平均相对误差为1.5%.最后,通过Sobol全局敏感度分析方法对艇身外形参数进行了敏感度排序.研究结果表明,与艇身阻力系数最敏感的3个参数分别为头部半径r_h、最大半径r_d和最大半径位置x_d.在此工作基础上形成了飞艇艇身外形的设计空间,所得设计空间对提高飞艇外形设计效率、降低飞艇气动阻力系数具有积极意义.     

响应面模型在耐压壳优化设计中的应用研究

针对有限元模型应用于优化设计时效率低的问题,提出了一个环肋圆柱壳结构优化设计策略.该策略用APDL语言建立参数化结构有限元分析模型,并根据设计要求选取设计变量,用试验设计的方法在设计变量空间里选取样本点并进行结构分析,得到各样本点的响应.最后用这些样本点和响应建立起结构质量和应力的二阶多项式模型,并对响应面模型采用罚函数法进行优化获得最优解.结果表明,所提方法提高了结构的强度利用率,缩短了优化时间,研究结果对实际应用有参考价值.     

基于伴随方法的飞翼布局多目标气动优化设计

针对飞翼布局气动设计中的多目标多约束设计问题,开展了基于伴随方法的气动优化设计研究。构建合理的统一目标函数,并根据伴随方法基本原理推导了相应的伴随方程边界条件及梯度求解方程,采用N-S方程和伴随气动优化设计方法,进行了2种不同展弦比飞翼布局的跨声速减阻优化设计,优化结果表明:在满足气动、几何约束的前提下,飞翼布局跨声速激波阻力被很大程度削弱,证明了所发展的方法在飞翼布局多目标多约束气动设计上具有较高的优化效率和良好的优化效果。     

一种代理遗传算法及其在气动优化设计中的应用

遗传算法具有良好的鲁棒性和全局优化等优点,但是需要进行大量目标特性的计算,因此计算量很大.针对这一问题,利用代理模型计算量小的优点,将代理模型引入到遗传算法中,建立了一种高效的代理遗传算法.在该算法中,以遗传算法为整体框架,在优化搜索中部分使用代理模型进行目标特性分析,大大减少了计算量.为防止代理模型不精确带来的影响,在优化过程中通过引入EI方法,较好地解决了算法中校正个体的选择问题.为了验证方法的有效性,使用该算法进行了翼型的气动外形优化设计,升阻比提高了40%.与基本遗传算法相比,该算法的优化结果与之相当,但计算时间减少了约75%.结果表明该算法对遗传算法的改进是有效的,适合进行气动外形优化设计.     

基于FFD的翼身融合水下滑翔机外形优化设计

水下滑翔机发展至今大体上可以分成2个大类:常规布局外形水下滑翔机与非常规布局水下滑翔机。翼身融合水下滑翔机作为一种非常规布局水下滑翔机,因其独特的流体外形布局,具有更好的流体动力特性。但设计出具有优秀水动力性能的翼身融合水下滑翔机外形较为困难,因此开展翼身融合水下滑翔机外形优化设计研究工作具有十分重要的意义。开展基于自由变形(FFD)的翼身融合水下滑翔机外形优化设计研究,以FFD参数化方法为核心,与CFD求解器、优化算法、网格变形方法相耦合,组成了完整的自动外形优化设计框架,并用该框架开展了翼身融合水下滑翔机外形优化设计工作。以翼身融合水下滑翔机下沉和上浮一个工作周期的平均阻力系数为目标函数,在考虑体积约束的条件下开展外形优化设计,优化结果表明翼身融合水下滑翔机的滑翔性能得到了明显提升。     

基于FCE方法的超声速机翼厚度分布优化

远场组元(Far-field Composite Element,FCE)激波阻力优化方法是基于类别形状函数变换(Class Shape Transformation,CST)参数化方法发展出的一种超声速飞行器气动外形优化方法。文章使用CST参数化方法对超声速客机的大后掠机翼进行外形参数化,并以机翼容积和局部相对厚度为约束条件,使用FCE方法对其厚度分布进行以激波阻力最小为设计目标的快速优化。与原机翼相比,FCE优化方法使机翼激波阻力系数降低达61%,是超声速飞行器概念设计阶段降低激波阻力十分有用的优化方法。