摘要：相对于常规直升机,基于前行桨叶方案(ABC)速度更高的刚性共轴双旋翼直升机对旋翼翼型的气动性能要求更加苛刻,包括更高马赫数下的低阻和高阻力发散特性,并维持良好的中、低马赫数下的升阻特性以及所有状态下的力矩特性等10余项指标要求,面临高维多目标优化难题。针对该类问题,首先发展了基于核主成分分析(KPCA)的非线性目标降维技术,然后建立了基于新型多可信度多项式混沌-Kriging(AMF-PCK)代理模型的高效多目标稳健优化方法,并提出了变可信度伪期望改进矩阵(VF-PEIM)并行样本填充方法,使多目标优化设计效率和能力显著提高。利用所建立的基于新型多可信度代理模型的多目标优化方法对高速直升机7%厚度旋翼翼型进行了优化设计。设计翼型的气动表现分别与经典的OA407翼型在高、中、低马赫数下进行了全面比较,对比结果验证了提出的新型多目标优化设计方法的有效性,设计翼型高速气动特性得到了显著提升。

摘要：针对某特殊布局层流机翼验证机,开展高速巡航状态下中央翼段气动性能的优化设计研究。以γ-Re_(θ)转捩预测方法作为计算分析手段,对中央翼段翼型剖面进行改进设计以提升其升阻特性,并在此基础上对中央翼段前后位置进行调整,探究翼段位置变化后表面转捩位置的变化情况,为改善全机巡航力矩特性提供一定依据。对原始层流翼型和某传统翼型计算和风洞试验结果进行对比,验证了所采用数值计算方法和模型的适用性。针对原始层流翼型,通过提升其同一迎角下的升力系数来降低巡航迎角,增加其巡航状态表面层流区长度,使其拥有更好的层流特性。最后,针对中央翼段平移构型气动力系数开展计算研究,对比分析了不同平移位置中央翼段对层流验证机气动参数的影响,结果表明,不同平移构型在同样的计算状态下,中央翼段表面层流区长度变化不大,构型的变化对其层流特性的影响相对较小,有利于后续从中央翼段平移的角度对全机力矩特性进行优化。

摘要：多可信度代理模型已经成为提高基于代理模型的优化算法效率和可信度水平最有效的手段之一.然而目前流行的co-Kriging和分层Kriging(HK)等多可信度代理模型泛化能力不足,缺乏对高阶/高非线性建模问题的适应性,难以广泛应用.文章基于发展的自适应多可信度多项式混沌-Kriging(MF-PCK)代理模型,在提高建模效率和对高阶/高非线性问题近似准确率的同时,建立了基于该自适应MF-PCK模型的高效全局气动优化方法.在发展的方法中,提出了基于MF-PCK模型的新型变可信度期望改进加点方法,使代理优化算法效率进一步提高.为了验证发展方法的全面表现,将其应用在经典的数值函数算例以及多个跨音速气动外形的确定性优化和稳健优化设计中,并与基于Kriging和HK模型的代理优化算法进行了全面比较.结果表明,发展的新型多可信度全局气动优化方法其优化效率相对于基于Kriging和HK模型的优化效率显著提高,结果更好也更加可靠,并且稳健优化设计效率和结果也更符合工程应用需求,证明了其相对于基于Kriging和HK模型的代理优化算法的显著优势.

摘要：隐身性能是影响高超声速武器作战效能的关键指标之一,为提高高超声速滑翔飞行器的生存及突防能力,以HTV-2飞行器为初始外形,引入锐边化设计思想,提出一种兼具良好隐身性能的气动外形。首先采用CFD数值模拟和高频近似算法,对初始外形气动特性及隐身特性进行评估。接着通过截取重要截面轮廓线,在轮廓线上均匀选取控制点。最终将离散点重构成三维外形,设计了一种锐边化飞行器外形。在此基础上计算评估了锐边化外形的升阻特性及雷达散射截面(RCS)。与原外形对比可知锐边化外形气动性能变化较小,气动力系数变化量不超过7%;同时在主要威胁区域(即俯仰角±30°、偏航角±60°角域)内飞行器的RCS均值显著降低,平均降幅超20%。此外为消除边缘绕射的影响,通过倒圆角的方式对锐边化外形的棱边进行了圆润化处理,实现了主要威胁区域内RCS均值的进一步减缩,平均降幅超过60%。此外进一步研究了在不同位置倒圆角及圆角半径对飞行器隐身特性的影响。结果表明在尾部截面倒圆角能较大程度改善飞行器的隐身特性,圆角半径与飞行器特征长度之比为1.35%时较佳。

摘要：静气动弹性问题考虑弹性结构与定常气动力间的相互耦合作用,对飞行器的性能和安全具有显著的影响.在现代飞行器设计阶段,计算流体力学(CFD)/计算结构力学(CSD)直接耦合方法是精确考察静气动弹性影响的重要手段.然而,基于CFD技术的气动力仿真手段在耦合过程中计算量大且耗时长,难以满足设计阶段的需求.因此,为了兼顾计算精度与效率,文章采用本征正交分解(POD)和Kriging代理模型相结合的模型降阶方法,替代CFD求解过程并耦合有限元分析(FEA)方法,建立了高效、准确的静气动弹性分析框架.相较于传统的以模态法为主的静气动弹性分析方法,该方法能够解决更为复杂的静气动弹性问题以及提供静气动弹性变形过程中的气动分布载荷.针对典型三维跨声速HIRENASD机翼模型开展的马赫数、迎角变化的算例验证表明:由建立的静气动弹性分析方法与CFD/CSD直接耦合方法计算得到机翼翼梢处的静变形量间的相对误差在5%以内;同时该方法预测静平衡位置处的气动分布载荷的误差在5%以内,静气动弹性分析的计算效率至少提升了6倍.

摘要：为实现螺旋桨轻质量和高固有频率之间的权衡设计,发展了1种桨叶对称削层结构的分区优化方法。为拓宽其高效率的速度和高度范围,应采用变桨距技术,需要设计圆柱形桨叶根部。该桨叶与不同桨距角的桨毂组合装配,可实现人工变桨距,在地面试验中达到高空转速。该螺旋桨采用组合分体式桨毂布局、桨叶内部填充泡沫和碳纤维混合结构,基于NSGA-Ⅱ(non-dominated sorting genetic algorithm),完成了支座固支的桨叶铺层参数优化,得到桨叶质量和频率的Pareto解集,在±10%频率安全裕度外选取最优铺层方案,并与实物测试值对比,结果表明:桨叶质量相对误差2.09%;支座固支的单桨叶频率相对误差9.30%;桨毂固支的组合体频率相对误差2.76%,避开了工作转速共振区间,证明该结构优化方法是合理有效的。

摘要：设计满足鸟撞适航条款要求的飞机薄壁结构,必须进行典型薄壁结构抗鸟撞动响应试验及数值模拟研究。对某飞机机头上壁板薄壁结构进行了鸟撞试验,并采用光滑粒子流体动力学-有限元法(smoothed particle hydrodynamics-finite element method,SPH-FEM),基于商用显式有限元分析软件PAM-CRASH,建立了鸟撞上壁板薄壁结构数值计算模型。计算结果表明,上壁板结构损伤模式主要包括蒙皮撕裂和铆钉断裂,计算结果与试验结果良好的一致性验证了该数值计算模型及方法的合理性。在此基础上,建立了鸟撞典型薄壁结构数值计算模型,研究了鸟弹不同撞击角度和速度下典型薄壁结构蒙皮极限厚度值,结果表明,随着撞击速度的增大,蒙皮极限厚度的变化对撞击角度十分敏感。拟合了典型薄壁结构蒙皮极限厚度与鸟弹撞击角度和速度之间的数学关系,为飞机薄壁结构抗鸟撞设计提供技术支撑。

摘要：为了自动实现含气膜孔涡轮叶片寿命的可靠性设计优化,减少其有限元计算时间成本,提出了含气膜孔涡轮叶片的非结构局部网格参数化方法。该网格参数化方法将叶片划分为参数化区域和非参数化区域,分别设计非参数化区域的网格以及参数化区域的网格控制点,更新气膜孔的形状和位置后,保持非参数化区域的网格不变,重构参数化区域的网格。相比于结构网格的全局变形方法,该方法能够在保证有限元计算精度的同时,很大程度上缩减有限元的计算时间,有效提高可靠性设计优化的效率。

摘要：涡轮盘是航空发动机主要部件之一,一旦发生破坏性故障将导致严重的后果。在充分考虑影响涡轮盘高低周复合疲劳寿命因素不确定性基础上,以MATLAB为平台,设计了涡轮盘高低周复合疲劳寿命可靠性优化设计的联合仿真平台。利用寿命函数和寿命可靠性分析极限状态函数中的共性需求,提出了在优化迭代的过程中自适应构建寿命函数Kriging模型和寿命可靠性极限状态面Kriging模型时共用训练样本点的策略。同时,提出了一种构建寿命函数Kriging模型的学习函数。使用所搭建的疲劳寿命可靠性优化设计平台,完成了某型涡轮盘盘心、榫槽以及涡轮盘系统高低周复合疲劳寿命的可靠性优化设计。结果表明,最优设计方案的局部最大应力显著降低,均值寿命大幅提高,并满足可靠性约束。

摘要：不同于由专家通过理论推导或经验得到设计规则的传统方法,提出了数据驱动的螺旋桨设计规则提取方法。使用粗糙集理论对螺旋桨优化设计过程中产生的大量方案数据进行分析,发展了适当的属性表示方法和属性离散方法。结果表明:在对两类不同参数螺旋桨型号的研究中,均提取出了“当各剖面诱导速度的差异越小时,螺旋桨效率越高”的设计规则,这一规则与Betz条件相当,验证了方法的有效性。基于数据驱动的螺旋桨设计规则提取方法可为后续三维设计规则的发现和优化设计研究提供技术支持,该思想也可供其他设计领域参考。