基于高精度模型的机翼气动结构多学科设计优化方法

利用低自由度协同优化方法对轻型飞机机翼进行了气动/结构多学科设计优化,气动和结构两个子系统实现了并行,其中气动分析采用CFD软件Fluent,结构分析优化采用有限元软件MSC.Patran＆Nastran。建立了基于Catia、Gambit和Fluent等通用软件的气动自动化分析模型。提出了利用三系数四次响应面模型拟合机翼上的升力分布以实现不同子系统并行和气动力的传递。以气动自动化分析模型和三系数四次响应面气动载荷分布模型为基础,提出了面向高精度气动分析的气动分析代理模型的建立方法。机翼优化结果表明LDFCO/V1方法可以成功地利用高精度模型实现机翼气动/结构多学科设计优化。     

基于正交试验法的厢式货车气动减阻优化

为了优化某厢式货车的气动阻力系数,设计了驾驶室前部仿生减阻结构、顶部和侧部涡流发生器、底部涡流发生器等3种气动减阻装置。研究了3种单一气动减阻装置主要相关参数对气动阻力的影响,分别从货车外流场的速度轨迹、压力分布和湍动能分布等3方面详细分析了各单一气动减阻装置的减阻效果。在此基础上采用正交试验法对3种气动减阻装置的主要参数进行优化,获得最优减阻货车模型。研究表明:驾驶室前部突出部分的长度对货车整车气动阻力系数的影响比倾角更大;最优货车头部形状的倾角和长度分别为135°和300 mm,该模型的气动阻力系数为0.721 4,相对于货车原始模型的减阻率为8.93%;涡流发生器的高度和位置对货车的减阻效果均有较大的影响;涡流发生器可以增加货车尾部分离区流场的能量,使得尾涡区减小,气动压差阻力减小;3种气动减阻装置对货车气动阻力系数的影响大小依次为:底部涡流发生器、货车前部仿生减阻结构、顶部和侧部涡流发生器,其最优厢式货车模型的空气阻力系数为0.683 3,其复合减阻装置的最佳减阻率为13.8%。     

平头卡车气动减阻设计及试验研究

为改善某平头卡车气动特性，降低风阻，通过卡车整车风洞试验研究不同部件对阻力系数的贡献，发现导流罩、领口板、后视镜、侧裙板对阻力系数的贡献很大. 根据空气动力学原理对导流罩等对阻力系数贡献大的部件进行气动减阻优化设计，并通过试验对减阻效果进行验证. 通过后视镜与导流罩的改型设计，改善卡车前端流场；对货箱尾部导流片进行参数组合设计，改善卡车尾部流场；得到各部件减阻效果较好的组合方案. 风洞试验结果表明，经过气动减阻设计，卡车车身气动性能得到明显改善，相比于初始模型，最佳气动性能组合方案的减阻效果约为7%.     

尾部特征参数对气动阻力交互影响与全局优化研究

汽车尾部结构气动减阻优化时,各几何特征参数间往往存在此消彼长的现象,使得优化变得盲目而复杂.对此,为探明关键几何参数的交互影响规律,以Ahmed类车体为研究对象,在HD-2风洞试验对标验证基础上,对后背3个主要特征参数进行了CFD仿真研究,并在此基础上,为克服盲目性,应用集成优化平台对尾部特征参数进行优化设计.结果表明,后背倾角角度对减阻的贡献量最大,背部两侧圆角半径次之,后背顶部圆角半径最小;三者的改变对气动阻力的影响都具有非单调性;当后背倾角角度、后背顶部圆角半径和背部两侧圆角半径分别为13°、283 mm、58 mm时,能有效减小气动阻力,减阻率达到11.76%,为具体车型减阻优化研究提供借鉴.     

MIRA阶梯背模型尾部非光滑表面优化设计方法

为探索车身非光滑表面特征参数的优化设计方法,在MIRA阶梯背模型尾部分别布置凹坑型、凸包型和沟槽型非光滑表面,进行计算仿真和风洞模型试验对比分析不同非光滑单元的减阻效果。以非光滑单元体间距与高度为设计变量,以模型气动阻力系数为优化目标,采用拉丁超抽样方法进行样本设计,建立Kringing近似模型并检验拟合精度,运用NSGA-II遗传优化算法分别对凹坑型、凸包型和沟槽型非光滑表面特征参数进行优化。对比优化前后流场参数,分析车身非光滑表面减阻的机理。仿真结果和风洞试验数据表明优化后的凹坑、凸包及沟槽型非光滑表面模型的气动阻力均进一步减小,减阻率分别达到6.92%、4.03%、4.24%,减阻效果明显。     

基于自由变形技术的Ahmed模型气动减阻优化

针对目前汽车气动减阻中基于工程师经验的试凑法所存在的盲目性和低效率,以及气动优化设计中车身曲面难于参数化等问题,将自由变形方法引入汽车气动减阻优化设计中,为减阻优化设计提供一种快速、有效的参数化方法.文中以外形简单的Ahmed模型为研究对象,根据正交试验设计构建样本空间,采用FFD方法对各样本点模型进行参数化,通过CFD仿真获得各样本的气动阻力系数;建立3种常用的近似模型,选择可信度最高的RBF模型构建近似模型,采用多岛遗传算法求解近似模型的最优值,根据优化结果重新构建最优模型并采用CFD计算其气动阻力系数.计算结果显示优化后的Ahmed模型气动阻力系数减少了51.96%.      

轻卡外流场数值模拟及附加井字形格栅优化设计

文章对某轻卡进行外流场的数值模拟,通过对模型流场特性的分析,研究气动阻力产生的主要原因。对货箱加装井字型格栅,分析其对整车气动阻力的影响;将格栅的造型参数作为2个影响因子,采用拉丁超立方设计方法和最小二乘法创建二阶响应面模型,利用混合整型优化法进行参数优化,优化后与原型设计相比,整车气动阻力明显减小,表明该方法能有效地提高格栅减阻效果和CFD优化效率。     

基于伴随方法的动态非定常气动外形优化设计

为实现动态非定常条件下的气动外形优化设计,基于非定常形式的欧拉方程及伴随方程,建立了一套完整的针对非定常动态问题的气动外形优化设计方法,并采用所建立的方法,对俯仰振荡的NACA0012翼型在跨声速(Ma=0.8)及限制条件下进行了翼型时均减阻外形优化. 对优化设计的结果进行了分析. 研究结果表明:该动态非定常气动外形优化设计方法具有较高的可靠性和实用性.      

基于Isight的自适应翼型前缘气动优化设计

为了兼顾翼型在各个飞行状态下的气动效率,基于Isight优化设计平台对自适应翼型前缘进行了气动优化设计研究.首先对Hicks-Henne型函数进行了改进,实现了翼型前缘的参数化描述;然后采用拉丁超立方实验设计方法生成样本点,并运用CFD软件进行翼型流场的气动计算,进而利用该样本数据完成对RBF神经网络的训练;最后对神经网络近似模型应用多岛遗传算法进行优化.以NACA 0006翼型为例,采用上述组合优化策略以升阻比为目标函数进行优化设计.仿真结果表明:改进后的Hicks-Henne型函数较好地描述了翼型前缘;组合优化方法显著提高了翼型气动优化效率.     

基于等离子体的GTS模型气动减阻研究

为探究等离子体对类厢式货车的气动减阻效果,以GTS模型为研究对象,采用数值仿真的方法,分别研究了当来流风速为20 m/s时,3个位置处等离子体布置角度、激励电压对GTS模型的气动减阻效果并分析其减阻机理,然后进行组合工况的分析.研究结果表明,等离子体是通过诱导近壁面气体定向流动使流动分离点后移、推迟流动的分离,从而减小GTS模型前后压差阻力、降低整车气动阻力系数,等离子体布置的位置在流动分离点后方并且靠近流动分离点.单个位置激励时,等离子体布置在GTS尾部两侧时气动减阻效果最好,最大减阻率为5.09%;组合工况时最大减阻率可达6.01%.当来流风速一定时,等离子体存在最佳布置角度与激励电压.     

螺旋桨气动/噪声多目标优化设计

针对某大尺寸螺旋桨开展气动/噪声多目标优化设计。基于升力面理论,开展了螺旋桨气动性能计算,通过与试验结果对比,验证了计算结果的准确性;基于Hanson频域远场噪声计算方法,开展了螺旋桨远场噪声评估;以螺旋桨桨叶沿展向分布的弦长、安装角、弯和掠为设计变量,在不改变螺旋桨桨叶数、半径和转速的情况下,以螺旋桨气动性能不降低和远场噪声降噪最大为优化目标,开展螺旋桨的气动与噪声联合优化设计,优化设计结果与高精度算法的计算结果进行了对比验证。优化结果表明,在不降低螺旋桨气动性能的情况下,优化设计的螺旋桨在1阶离散分量处的远场气动噪声降低5dB,2阶和3阶离散分量处也有明显的降噪效果。     

某型发动机压气机叶-盘结构优化分析

为快速提高后续批次发动机推重比,针对压气机转子叶-盘-鼓基本结构单元,基于通用有限元软件优化设计平台和循环对称结构静应力分析方法,在不改变叶片气动外形、盘鼓连接半径等强约束条件下,通过合理预设需优化位置的形状和尺寸设计变量,建立从榫头-榫槽连接式叶盘结构到整体叶盘结构的两步优化方法,缩减了优化迭代过程中结构静应力计算用的三维有限元模型规模,提高了优化效率。运用该法对某发动机高压压气机第三级叶盘结构进行优化设计,将最大转速下叶、盘、鼓的离心和气动载荷施加到优化迭代过程中、结构静应力计算用的有限元模型上,同时设置既可线性求解、又能计入接触面上真实应力状态的叶、盘、鼓间的接触,贴合承载和接触实际。采用一阶方法进行优化求解,得到满足约束条件的尺寸设计变量解。对比分析优化前后结构的应力分布,证实该法有效,在保证结构可靠性的前提下,获得了较好减重效果。     

底部结构对高速列车流场及气动优化规律的影响

为了得到底部结构对列车流场及气动阻力优化规律的影响,通过计算流体力学和正交试验设计分析的方法,研究真实复杂车体的底部流动和尾迹特征,得到了复杂车体气动阻力优化规律.结果表明,尾车鼻尖静压系数在底部结构影响下降低了0.06,尾车流动分离提前,两反对称尾涡核间横向距离增大,尾涡间夹角增大.头型概念设计时的拓扑简化车体模型可以作为真实复杂车体的气动阻力优化设计模型,但考虑底部结构使得头车参数优化的极差值减小、尾车参数的优化极差值增大.头车阻力优化重点为转向架周边结构,尾车阻力优化对流线型长度参数更加敏感.     

车身后部结构气动性能自动优化及其工程应用

车身后部结构特征对整车的空气动力学性能有重要的影响。为研究车身后部各结构变化对轿车尾部流场的影响规律及各设计变量之间的相关性,并在此基础上对车身后部结构参数进行优化,以提高轿车的空气动力学性能。通过运用网格自适应方法和集成仿真软件STAR CCM+进行试验设计;并建立近似模型探索以整车气动性能为目标的车身后部各结构参数的最佳组合。结果表明:与传统车身优化方法相比,运用网格自适应方法、试验设计方法和近似模型相结合进行车身优化,大幅度减少了车身优化的时间,且优化效果良好。优化车身后部结构参数,能明显改善尾部流场结构,提高整车的气动特性。     

基于载荷设计的电动飞机复合材料机翼结构优化方法及试验验证

基于柔度法静气弹分析方法,对电动飞机复合材料机翼考虑气动弹性载荷的结构优化方法进行研究。以考虑翼型弯度的涡格法计算机翼气动载荷,并与CFD计算结果进行对比,验证其准确性。使用遗传算法对机翼结构进行铺层优化,以铺层度及铺层角度百分比为优化变量,结构重量最低为优化目标,强度及复合材料工艺性作为设计约束,对机翼结构进行优化,计算强度时考虑气动弹性载荷。最后通过静力试验验证仿真结果的准确性。研究表明直机翼考虑气动弹性载荷后翼根弯矩、剪力及扭矩均有增加,基于该优化方法可设计合适的机翼结构刚度,在满足强度设计要求同时能达到减重目的。     

受内部空间约束的车身气动优化

把分步遗传算法和以车辆人机工程学为基础设计的车身内部空间约束算子相结合,对车身进行受内部空间约束的气动优化,得到满足不同结构和尺寸的空间约束的三维无轮优化车身.优化车身的气动阻力系数CD值在0.070~0.090之间,气动性能较优.其中一款CD值为0.073的凸头车型优化车身和一款CD值为0.086的凹头车型优化车身可以满足由长前舱、大乘员舱和高后舱构成的内部空间约束条件的要求.内部空间约束的尺寸越小,结构越简单,优化结果越佳.造型越复杂的车身受到空间约束的影响越显著.     

考虑气动-结构耦合的机翼三维结构拓扑优化方法

针对机翼三维结构拓扑优化方法在工程实际应用中的气动-结构耦合问题,开发了一种在机翼翼型表面直接加载气动载荷的三维拓扑优化方法。用更接近真实工程的约束和载荷条件进行结构拓扑优化,便于考虑不同翼型之间气动载荷的差异,并兼顾拓扑优化方法的载荷敏感性;利用MATLAB编写自动网格划分、施加约束和载荷、求解优化的结构分析程序,实现气动-结构分析统一模型;最后通过实例验证了方法的可行性及有效性。结果表明该方法为载荷敏感的拓扑优化方法更精确得到符合实际工况的优化结果提供了一种实用的方案;并对于气动-结构耦合三维拓扑优化方法进行了原理性的探索研究。     

基于粒子群的高超声速飞行器模糊控制方法

由于采用机体一体化设计,吸气式高超声速飞行器的气动特性难以准确获知,建立的数学模型是极为不准确的。针对这一特点,研究了一种基于粒子群的高超声速飞行器模糊控制方法,利用粒子群算法对模糊控制器参数寻优,使该控制方法具有强鲁棒性,高超声速飞行器在气动模型不确定情况下,依然能够保持很高的控制精度。仿真用高超声速飞行器的纵向模型对该控制器进行了验证,证明该控制方法能够有效地克服气动参数的不确定性,准确地跟踪飞行器的高度和速度指令。