飞行器气动外形优化设计方法研究与应用

发布时间：2017-07-07 07:15

  本文关键词：飞行器气动外形优化设计方法研究与应用

  更多相关文章： 气动外形优化设计 FFD方法 微分进化算法 RBF神经网络 压力分布预测

【摘要】：我国航空航天产业的迅猛发展及全球激烈的市场竞争对飞行器设计技术提出更高的要求,精细化、高效率的设计技术受到青睐,而飞行器气动外形设计是飞行器设计的重要内容,其影响了整个飞行器的飞行性能和飞行品质。飞行器气动外形优化设计旨在采用数学优化的思想解决工程设计问题,在流场数值模拟计算的支持下,以气动外形参数化方法、代理模型技术和优化搜索策略等为主要内容的优化设计方法为飞行器气动外形设计提供了一个广阔的设计空间。飞行器气动外形优化设计技术有效地缩短了设计周期,并且能使设计更为精细,提高飞行器的性能指标。近年来气动外形优化设计方法研究广受重视,基于工程设计的数学优化模型的提炼、参数化方法适应性、代理模型的精度以及优化搜索方法的全局收敛性等问题是研究的关键内容。针对上述优化设计的关键问题,本文主要开展了以下几个方面的工作:1、对FFD参数化方法进行研究,构建了适应复杂外形几何参数化的多块FFD拼接方法,提出了非规则FFD控制框局部坐标的解算方法,给出了FFD方法在几何参数化的同时对相应流场网格的自适应变形方法。多块FFD拼接方法将复杂几何外形进行分块参数化,使每一块的几何体参数化简化,在整个几何体变形时保持块与块之间的分离面处的一致协调性和连续性。本文提出的FFD局部坐标解算方法可以很好的解决任意非规则FFD控制框下的局部坐标求解问题。2、对标准微分进化算法的收敛性进行分析,在此基础上提出FA-DE优化搜索方法。采用马尔科夫链方法对标准微分进化算法及FA-DE算,方法的收敛性进行分析,证明了标准微分进化算法不能保证收敛于全局最优,而FA-DE方法能够依概率1收敛到全局最优。FA-DE方法针对标准微分进化算法的全局收敛性及收敛速度进行改进,在标准微分进化算法的基础上引入新的变异机制及选择策略,改善算法的全局寻优能力,提高收敛速度。算例测试结果表明FA-DE方法较之标准微分进化算法能够更快、更可靠的收敛于全局最优。3、提出了一种自适应RBF神经网络模型;建立了自适应RBF神经网络模型对剖面压力分布的预测方法。较之原始的RBF神经网络模型,自适应RBF神经网络模型能根据具体应用环境自发识别最优映射关系,完成预测空间的重构优化,具有较强的通用性和适应性,预测精度较高。本文提出的基于自适应RBF神经网络模型的剖面压力分布预测方法能够快速的预测出整个剖面的压力分布形态,且算例测试表明其具有较高的预测精度。4、提出了基于压力分布预测的气动外形优化设计方法。其以翼型/机翼剖面压力分布的典型特征为优化目标,结合了反设计和优化设计的思想,通过自适应RBF神经网络模型对剖面压力分布的预测和FA-DE优化搜索来得到符合一定压力分布特征的压力分布所对应的气动外形。通过翼型优化设计算例验证了该方法在单点、多点优化设计中具有较高的优化设计效率和可靠性。5、采用基于压力分布预测的气动外形优化设计方法,集成FFD参数化方法、FA-DE优化搜索算法和自适应RBF神经网络模型等技术模块,构建了气动外形优化设计系统;将该优化设计系统用于某型宽体客机的气动设计当中。设计结果表明该系统在单设计点、多设计点的优化中减阻效果明显。6、提出翼型后缘弯度变化的参数方法和机翼后缘变弯度、沿展向变弯度的参数化方法,在变弯度的参数化基础上,采用优化方法得到不同设计状态下对应阻力较小的翼型/机翼几何构型,对弯度变化引起的阻力减小机理进行了分析。
【关键词】：气动外形优化设计 FFD方法 微分进化算法 RBF神经网络 压力分布预测
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V221.3
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-27
• 1.1 论文研究背景13-15
• 1.2 飞行器气动外形优化设计方法的发展15-22
• 1.2.1 CFD数值模拟方法17-18
• 1.2.2 气动外形参数化方法18-20
• 1.2.3 优化搜索方法20-21
• 1.2.4 代理模型技术21-22
• 1.3 现有方法中的存在的问题22-24
• 1.4 本文主要工作24-27
• 第二章 气动特性数值评估方法27-43
• 2.1 RANS方程数值求解27-36
• 2.1.1 控制方程与求解方法27-34
• 2.1.2 并行计算实现34-35
• 2.1.3 算例验证35-36
• 2.2 全速势方程+附面层修正数值求解36-42
• 2.2.1 无粘外流的计算36-38
• 2.2.2 附面层参数的计算38-39
• 2.2.3 准同步有粘－无粘相互干扰计算39-41
• 2.2.4 算例验证41-42
• 2.3 本章小结42-43
• 第三章 气动外形FFD参数化方法及其改进研究43-57
• 3.1 FFD参数化方法原理43-45
• 3.2 非规则FFD控制体局部坐标快速求解方法建立45-49
• 3.3 复杂构型多块FFD控制体拼接方法建立49-53
• 3.4 FFD方法在动网格中的应用53-56
• 3.5 本章小结56-57
• 第四章 微分进化算法及其改进研究57-77
• 4.1 基本微分进化算法57-58
• 4.2 微分进化算法的收敛性58-62
• 4.2.1 马尔可夫链相关概念58-60
• 4.2.2 基本微分进化算法收敛性60-62
• 4.3 FA-DE算法62-67
• 4.3.1 FA-DE算法的基本思想62-64
• 4.3.2 FA-DE算法的收敛性64-67
• 4.4 算例验证67-76
• 4.5 本章小结76-77
• 第五章 自适应RBF神经网络方法77-91
• 5.1 代理模型方法中的关键问题77-79
• 5.1.1 代理模型的数学思想77-78
• 5.1.2 代理模型的泛化能力78-79
• 5.2 常用的几种代理模型方法79-82
• 5.3 自适应RBF神经网络模型82-83
• 5.4 算例验证83-88
• 5.5 本章小结88-91
• 第六章 基于压力分布预测的气动优化设计方法91-113
• 6.1 基于压力分布预测的设计思路91-93
• 6.2 自适应RBF代理模型对压力分布的预测方法93-98
• 6.3 算例验证98-111
• 6.3.1 考虑单点的跨音速翼型优化设计100-105
• 6.3.2 考虑多设计点的跨音速翼型优化设计105-111
• 6.4 本章小结111-113
• 第七章 气动优化设计算例113-147
• 7.1 高速公务机机翼优化设计113-116
• 7.2 远程宽体客机机翼优化设计116-131
• 7.2.1 考虑单点的优化设计117-123
• 7.2.2 考虑多设计点的优化设计123-131
• 7.3 翼型/机翼变弯度优化设计131-145
• 7.3.1 跨音速翼型后缘变弯度优化设计132-139
• 7.3.2 跨音速翼身组合体机翼后缘变弯度优化设计139-143
• 7.3.3 跨音速翼身组合体机翼展向变弯度优化设计143-145
• 7.4 本章小结145-147
• 第八章 总结与展望147-151
• 8.1 研究总结147-149
• 8.1.1 主要研究结论147-148
• 8.1.2 论文创新点148-149
• 8.2 研究展望149-151
• 参考文献151-161
• 致谢161-163
• 攻读博士学位期间发表的论文及参与的科研项目163

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 孙金标，刘千刚;飞机气动外形的优化设计[J];空气动力学学报;1995年01期

2 詹浩;许晓平;朱军;;气动外形多点优化设计研究[J];航空计算技术;2007年01期

3 王唯;陈志华;;基于参数样条的旋成体局部气动外形优化设计[J];弹箭与制导学报;2011年03期

4 胡圣远,苗瑞生,吴甲生;无控火箭弹气动外形优化设计[J];弹道学报;1992年04期

5 关键;田书玲;;基于FFD的气动外形参数化方法[J];江苏航空;2010年S2期

6 粟华;龚春林;谷良贤;;基于三维CST建模方法的两层气动外形优化策略[J];固体火箭技术;2014年01期

7 王向军;于雅楠;;基于频闪成像技术的MAV气动外形三维视觉测试(英文)[J];纳米技术与精密工程;2011年06期

8 吕胜涛;刘荣忠;郭锐;胡志鹏;;S-S双翼末敏弹气动外形优化设计[J];兵工学报;2013年09期

9 张宏;余雄庆;;高速航空拖靶的总体方案和气动外形优化[J];南京航空航天大学学报;2008年04期

10 刘传振;段焰辉;蔡晋生;;气动外形优化中的分块类别形状函数法研究[J];宇航学报;2014年02期

中国重要会议论文全文数据库 前4条

1 高正红;;气动外形优化设计方法研究与存在问题[A];大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会2007年学术年会论文集[C];2007年

2 苏伟;董超;陈刚;李晓轩;张立坤;;飞行器气动外形数值优化设计系统及应用[A];北京力学会第19届学术年会论文集[C];2013年

3 张青青;张卫民;;自由变形技术在气动外形参数化上的应用研究[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年

4 郭辉;张锦南;李海涛;;60kW水流发电叶片研制[A];第十九届玻璃钢/复合材料学术交流会论文集[C];2012年

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 王丹;飞行器气动外形优化设计方法研究与应用[D];西北工业大学;2015年

中国硕士学位论文全文数据库 前5条

1 何烈堂;MAV气动外形形变性能研究[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2002年

2 丁伟;造型初期的汽车气动外形减阻优化设计[D];吉林大学;2015年

3 张宁宁;柔性气动外形飞行体气流扰动下的频闪可视化信息提取[D];天津大学;2012年

4 丛延;智能可变外形导弹的气动外形总体设计研究[D];西北工业大学;2007年

5 关键;基于伴随方程的二维翼型气动外形优化设计[D];南京航空航天大学;2011年

，

本文编号：529260