兩棲飛機(jī)綜合氣動性能優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、兩棲飛機(jī)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(jī)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(jī)身斷階位置和深度,以及機(jī)翼平面形狀,完成了兩棲飛機(jī)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(jìn)行了驗證。其次,根據(jù)對兩棲飛機(jī)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(jī)水上起飛的全過程,并且基于該方法,對某型號兩棲飛機(jī)的水上起飛過程進(jìn)行了分析計算。在此基礎(chǔ)上,為了進(jìn)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)的機(jī)身斷階的位置以及深度兩個參數(shù)進(jìn)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(jī)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(jī)翼設(shè)計對飛機(jī)起飛和巡航性能都有重要的影響,而機(jī)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?fù)湟约拜^強(qiáng)工程約束條件下的機(jī)翼平面形狀以及展向扭轉(zhuǎn)角分布進(jìn)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(jī)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(jī)氣動設(shè)計的特點,針對飛機(jī)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(jī)氣動性能的綜合優(yōu)化框架,對機(jī)身斷階參數(shù)和較強(qiáng)工程約束條件