太阳能无人机机翼气动结构能量多目标优化设计

发布时间：2017-08-01 03:02

  本文关键词：太阳能无人机机翼气动结构能量多目标优化设计

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【摘要】：本文选题立足于太阳能无人机的发展现状与发展趋势,针对太阳能无人机机翼气动、结构以及太阳能学科进行建模,由于传统串行机翼设计没有考虑各学科之间的关系,为了改善这种缺陷,本文展开了对太阳能无人机机翼气动、结构和能量的多目标优化设计研究。主要内容如下:(1)通过对国内外太阳能无人机历史与现状的调查研究,了解了其发展趋势与关键技术,目的是为之后的论述打下基础。(2)运用二维翼型参数化方法来拟合翼型,使其实现参数化,并运用UG软件对三维机翼进行二次开发,实现了三维机翼的参数化建模与更新的自动化,方便论文后续的工作。(3)介绍了常用的气动分析方法,采用计算流体力学(CFD)的方法对太阳能无人机机翼建立了高精度的气动学科分析模型。(4)建立了太阳光照模型和太阳能电池组件模型,对太阳能无人机机翼进行发电功率的估算,并对不同工况下太阳能无人机发电功率进行了分析。(5)对太阳能无人机机翼气动结构耦合问题进行分析。建立计算流体力学(CFD)分析模型与有限元分析模型(FEA)对机翼气动结构进行耦合分析,以翼尖位移的迭代误差为判断耦合收敛的标准,最终得到弹性平衡状态下的机翼真实载荷和真实变形。(6)通过使用代理模型技术构造与原分析模型结构相近的近似数学模型用于优化设计,本文采用Kriging模型与物理规划法把多目标问题转换为单目标问题,进而完成对太阳能无人机机翼气动、结构和能量多目标优化设计,使无人机的性能得到提升。
【关键词】：无人机 太阳能 参数化建模 气动建模 气动结构耦合 代理模型 多目标优化
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V272;V224
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-14
• 第1章 绪论14-27
• 1.1 研究背景与意义14-15
• 1.2 太阳能无人机发展状况15-17
• 1.3 相关领域研究现状17-25
• 1.3.1 参数化建模技术17-18
• 1.3.2 太阳能无人机机翼气动特性18-19
• 1.3.3 机翼太阳能电池阵列能量特性19-20
• 1.3.4 大展弦比机翼的气动结构耦合问题20-23
• 1.3.5 代理模型技术23-24
• 1.3.6 多目标优化技术24-25
• 1.4 本文主要内容及章节安排25-27
• 第2章 太阳能无人机机翼参数化建模方法研究27-36
• 2.1 引言27
• 2.2 几种翼型参数化方法27-33
• 2.2.1 形函数线性扰动法28-29
• 2.2.2 正交基函数法29-30
• 2.2.3 特征参数描述法30-32
• 2.2.4 CST方法32-33
• 2.3 基于UG的机翼外形参数化建模33-35
• 2.3.1 UG软件简介33-34
• 2.3.2 机翼外形参数化建模34-35
• 2.4 小结35-36
• 第3章 太阳能无人机机翼气动特性分析36-49
• 3.1 引言36
• 3.2 气动分析方法描述36-45
• 3.2.1 工程估算方法36-37
• 3.2.2 涡格法37-38
• 3.2.3 计算流体力学方法38-45
• 3.3 机翼气动分析模型建立及校验45-47
• 3.3.1 气动分析模型建立45-46
• 3.3.2 气动分析模型校验46-47
• 3.4 气动特性分析47-48
• 3.5 小结48-49
• 第4章 机翼太阳能电池阵列能量特性分析49-69
• 4.1 引言49
• 4.2 太阳能电池阵布置方案49-51
• 4.3 太阳辐照模型51-57
• 4.3.1 水平面上的太阳辐照量51-53
• 4.3.2 倾斜面上的太阳辐照量53-54
• 4.3.3 基于Fluent中DO模型的求解54-55
• 4.3.4 发电功率的计算55-57
• 4.4 太阳能电池单元模型57-60
• 4.5 机翼曲面太阳电池阵列研究60-63
• 4.6 太阳光照模型和太阳能电池模型仿真及校验63-66
• 4.6.1 太阳辐照模型校验63-65
• 4.6.2 太阳能电池工程模型校验65-66
• 4.7 太阳电池阵功率特性分析66-68
• 4.7.1 纬度与季节的影响分析66-67
• 4.7.2 无人机航向角变化的影响分析67-68
• 4.7.3 无人机俯仰角变化的影响分析68
• 4.8 小结68-69
• 第5章 大展弦比机翼气动结构耦合分析69-84
• 5.1 气动弹性静力学概述69
• 5.2 气动弹性静力学的基本现象69-71
• 5.2.1 扭转发散70
• 5.2.2 载荷重新分布70
• 5.2.3 操纵效率及操纵反效70-71
• 5.3 气动弹性静力学载荷重新分布71-77
• 5.3.1 载荷重新分布的基本原理71-73
• 5.3.2 翼根固支机翼的载荷重新分布73-77
• 5.4 大展弦比机翼气动结构耦合计算77-83
• 5.4.1 气动学科分析77
• 5.4.2 结构学科分析77-79
• 5.4.3 气动结构耦合分析79-81
• 5.4.4 算例研究81-83
• 5.5 小结83-84
• 第6章 基于Kriging模型与物理规划的多目标优化策略研究84-96
• 6.1 引言84
• 6.2 多目标优化方法84-87
• 6.2.1 多目标优化问题84-85
• 6.2.2 物理规划法的设计思路85-87
• 6.2.3 偏好函数曲线构造方法87
• 6.3 代理模型技术87-92
• 6.3.1 Kriging模型88-89
• 6.3.2 试验设计方法89-90
• 6.3.3 代理模型精度评估方法90-92
• 6.4 基于Kriging模型与物理规划的多目标优化策略研究92-94
• 6.4.1 优化策略流程描述92-93
• 6.4.2 测试算例93-94
• 6.5 小结94-96
• 第7章 太阳能无人机机翼多目标优化设计96-103
• 7.1 引言96
• 7.2 翼型气动优化设计96-102
• 7.2.1 翼型优化问题描述96-97
• 7.2.2 翼型的优化结果与分析97-98
• 7.2.3 多目标优化问题描述98-101
• 7.2.4 优化结果与分析101-102
• 7.3 小结102-103
• 第8章 总结与展望103-105
• 8.1 总结103-104
• 8.2 展望104-105
• 参考文献105-111
• 攻读硕士学位期间发表的论文与研究成果111-112
• 致谢112-113

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 安林雪;龙腾;黄波;齐竹昌;彭磊;刘莉;;基于粒子群算法的长航时无人机翼型快速优化设计[J];弹箭与制导学报;2013年03期

2 李晓阳;蓝天任我游——中国“绿色先锋”太阳能无人机技术验证机[J];国际航空;2002年12期

3 田永亮;刘虎;罗明强;武哲;;参数化大型客机方案实例库研究[J];航空学报;2010年11期

4 江志国;车竞;;基于网格面元法的高超声速飞行器性能分析[J];计算机仿真;2011年03期

5 金海波,丁运亮;飞机概念设计中的外形参数化模型的研究[J];南京航空航天大学学报;2003年05期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 杜吉旺;基于工程估算的多目标优化[D];上海交通大学;2011年

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本文编号：602210