一种正向型架外形优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种正向型架外形优化设计方法，包括以下步骤：(1)采用参数化方法建立巡航外形的气动模型和结构模型；(2)通过优化算法设计型架外形；(3)计算型架外形的气动模型及结构模型，并对得到的结构模型进行模态分析；(4)计算静气动弹性变形后的外形及相应压力系数分布；(5)验证是否为最优型架外形；若不是，则执行步骤(6)；(6)重复步骤(2)至步骤(5)直至得到最优型架外形。本发明专利技术采用优化设计的理念设计型架外形，即先通过参数化方法定义型架外形，然后通过改变参数值得到型架外形，再采用优化算法自动寻优方式直至得到最优型架外形，保证了变形后型架外形以及其气动性能与设计巡航外形最为接近。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及航空设计领域，尤其涉及适用于民用飞机的一种正向型架外形优化设 计方法。
技术介绍
大型民用飞机的巡航外形主要是在假设飞机为刚体的条件下，根据巡航状态下气 动性能要求，如升力系数，升阻比等参数设计等到。但飞机在真实巡航飞行时，由于结构静 气动弹性的影响，会发生结构变形并引起气动载荷的重新分布，导致飞机的飞行性能损失， 更甚者会引发灾难性事故，这一效应对于大展弦比的民用飞机更为显著。因此，在飞机设计 过程中，必须对飞机的气动弹性特性进行分析研究并精确设计型架外形，即地面制造外形， 以保证型架外形在巡航飞行工况下经过静气动弹性变形后可以恢复到设计的巡航状态，获 得较好的气动性能。 现有的型架外形设计方法有直接反向型架外形设计方法和正向型架外形设计方 法，其中直接反向型架外形设计方法的设计流程如下：（1)在飞机巡航状态下，计算不考虑 飞机结构弹性变形影响的气动载荷；（2)将计算得到的气动载荷反向施加于飞机结构，得 到变形后的型架外形；(3)对设计的型架外形进行静气动弹性分析，以验证所设计的型架 外形在变形后能否达到巡航状态下的气动性能。该方法的主要特点是设计流程简洁，易于 实现，但在设计时无法考虑一些工艺、制造上的约束；尽管通过对型架外形进行修正可以达 到制造工艺要求，但其增加了设计方法的复杂程度；此外，由于气动部门给出的巡航构型往 往是根据多个飞行工况设计得到的，而反向型架设计方法只能针对一个巡航设计工况进行 设计，由此会引起其他设计点的误差。 正向型架外形设计方法的设计流程如下：（1)参数化飞机气动外形；（2)通过改 变气动外形参数建立型架外形数据库；（3)从数据库中挑选参考型架外形并进行巡航工况 下的静气动弹性分析，检查参考型架外形是否满足设计要求；(4)如果不满足，则重复步骤 (3)，直至满足设计要求。该方法的主要特点是可以通过设计参数来考虑工艺、制造上的约 束，缺点是在建立型架外形数据库时需要丰富的工程经验，并且相比于直接反向型架外形 设计方法而言，该方法花费的时间较长。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，以节省挑选参考型架外 形所需的时间，并同时将多个飞行工况作为设计点进行型架外形的优化设计。 为达此目的，本专利技术采用以下技术方案： -种正向型架外形优化设计方法，包括以下步骤： (1).以巡航外形为基准，采用参数化方法建立化气动模型和结构模型，计算巡航 工况下的压力系数分布并将其作为优化设计目标； (2).定义设计变量，通过优化算法改变设计变量值设计型架外形； (3).计算步骤⑵中所述型架外形所对应的气动模型以及结构模型，并对得到的 结构模型进行模态分析； (4).计算步骤（2)中所述型架外形在巡航工况下静气动弹性变形以及相应压力 系数分布； (5).根据步骤⑷得到的数据计算目标函数，然后判断是否满足收敛条件；若满 足，即认为步骤（2)中所述型架外形为最优型架外形；若不满足，则执行步骤（6); (6).重复步骤⑵至步骤（5)，直至得到最优型架外形。 进一步的，所述步骤（2)中的优化算法为遗传算法、梯度法或遗传算法与梯度法 的混合算法中的一种。优选的，采用混合遗传算法和梯度法的方式进行变量的筛选，即首先 采用遗传算法找出几组较优的设计变量值，作为初值传递给梯度法再寻找最优解；既可避 免单独采用遗传算法导致的大量计算，又可防止单独采用梯度法掉入局部最优解。 进一步的，所述步骤（2)中的设计变量定义为：不同机翼展向位置翼型扭转中心 点下反角变形量A a i和翼型扭转角变形量△ Θ 1<3 其中不同机翼展向位置翼型扭转中心点下反角变形量△ a i通过沿展向的形函数 A Cii= f(yi)定义，形函数一般选为常数或线性直线，不同的形函数对应不同的机翼下反 形式；在不同机翼展向位置翼型的扭转角变形量A Θ i指的是固定机翼根部，以机翼翼型截 面扭转轴为轴，一般选取机翼前缘，翼尖处的扭转角向下翻转为正，具体如图5所示。 进一步的，所述步骤（5)中的目标函数为保证型架外形在巡航状态下的气动性能 与理想巡航气动性能一致的目标函数、保证型架外形在巡航状态下的气动外形与理想巡航 气动外形一致的目标函数、或混合上述两种目标函数中的一种。 优选的，采用保证型架外形在巡航状态下的气动性能与理想巡航气动性能一致的 目标函数与保证型架外形在巡航状态下的气动外形与理想巡航气动外形一致的目标函数 的混合目标函数。首先考虑保证型架外形在巡航状态下的气动外形与理想巡航气动外形一 致的目标函数： 在上式中，4)为巡航工况下变形后型架外形i点坐标，相应地 (之w，乂，U为巡航外形i点坐标；其次考虑保证型架外形在巡航状态下的气 动性能与理想巡航气动性能一致的目标函数： 在上式中，分别为巡航工况下变形后的型架外形和巡航外形在j点 处的压力系数；采取加权方式将二者联系起来： OBJconbine =W1X OB Jshape+w2 X OBJcp 在考虑保持型架外形在巡航状态下的气动外形与理想巡航气动外形一致的目标 函数时，只需考虑翼尖截面前缘点位置的变形，因为如果已经确定机翼截面前缘点位置，那 么该截面的其他点变形同样会由气动性能目标函数反应出来，这么做可以避免重复计算， 节省计算时间。 进一步的，所述步骤（5)中，将多个飞行工况下的飞机外形和压力系数分布作为 目标函数。 进一步的，所述步骤（5)中，在得到最优型架外形之后，输出最优型架外形所对应 的气动模型和结构模型。 所述步骤（1)中的参数化建模方法是指通过定义一系列参数描述模型几何形状 和表面网格分布从而自动生成空间CFD计算网格。采用该方法可以规避复杂的变网格技 术；同时气动模型和相应的空间计算网格可根据参数数值的变化而改变，便于优化设计。 本专利技术的有益效果：本专利技术采用优化设计的理念设计型架外形，即先通过参数化 方法定义型架外形，然后通过改变参数值得到型架外形，再采用优化算法自动寻优方式直 至得到最佳的参数组合，保证了变形后型架外形以及其气动性能与设计巡航外形最为接 近，并节省了采用一般正向型架外形设计人工挑选型架外形所需的时间；还可以将多个飞 行工况作为设计状态进行型架外形的多点优化设计；采用参数化定义型架外形方法可以根 据加工工艺要求主动改变型架外形，以满足不同的设计指标。【附图说明】 图1是本专利技术正向型架外形优化设计流程图； 图2是本专利技术中机翼翼型截面几何描述示意图； 图3是本专利技术中机翼表面网格描述示意图；...

【技术保护点】
一种正向型架外形优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1).以巡航外形为基准，采用参数化方法建立气动模型和结构模型，计算巡航工况下的压力系数分布并将其作为优化设计目标；(2).定义设计变量，通过优化算法改变设计变量值设计型架外形；(3).计算步骤(2)中所述型架外形所对应的气动模型以及结构模型，并对得到的结构模型进行模态分析；(4).计算步骤(2)中所述型架外形在巡航工况下静气动弹性变形后的外形以及相应压力系数分布；(5).根据步骤(4)得到的数据计算目标函数，然后判断是否满足收敛条件；若满足，即认为步骤(2)中所述型架外形为最优型架外形；若不满足，则执行步骤(6)；(6).重复步骤(2)至步骤(5)，直至得到最优型架外形。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙明哲，曾杰，徐吉峰，
申请(专利权)人：中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心，中国商用飞机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京;11