基于工程的跨声速机翼两步优化设计方法

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaDec．2520”V01．32No．122153．2162ISSN1000．6893ON11—1929／Vhnp：Hhkxb．buaa．edu．CFIhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2011)12—2153一10基于工程的跨声速机翼两步优化设计方法李沛峰1，张彬乾1’*，陈迎春21．西北工业大学航空学院，陕西西安7100722．中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究所，上海200232摘要：以跨声速机翼设计中权衡气

2、动性能和总体设计要求的工程应用为出发点。在保证机翼结构重量和容积不变的约束下，提出了平面形状优化与剖面翼型优化结合的两步优化设计策略。应用神经网络和遗传算法。建立了相应的设计方法。采用两步优化方法进行跨声速机翼设计，第一步设计中．通过平面形状优化，增大机翼展弦比、减小诱导阻力是机翼气动性能改善的主要原因，但由于结构重量约束。平面形状变化不大。对机翼气动性能改善有限；第二步设计中，以第一步设计所优化的机翼平面形状为基础。并以机翼容积为约束，通过机翼剖面翼型优化，弱化较大马赫数下的激波、减小激波阻力是机翼气动性能改善的主要原因

3、。经过这两步优化设计，机翼在两个设计点下的升阻比分别提高了3．02％和9．96％，阻力发散马赫数由0．8540推迟到0．8653，表明两步优化设计方法适合于工程应用。在无结构重量和容积约束下，采用单纯气动最优的平面形状和剖面翼型优化两种设计方法均可明显改善机翼气动性能，但不能满足机翼结构重量和容积不变的设计要求。关键词：机翼；跨声速；优化设计；工程应用；计算流体力学中图分类号：V211．41文献标识码：A空气动力学研究的主要问题是减小飞行器阻力、提高气动效率，飞机气动效率直接决定飞机的燃油消耗、航程、商载和排放等经济性与环

4、保性指标。随着民用运输类飞机对经济性和环保性要求的不断提高[1屯]，出现了诸如翼身融合(BwB)、盒式翼和C型翼等高气动效率的布局形式[3]。目前，这些新型布局依然处于探索发展阶段，如何提高现有常规布局飞机的气动效率，仍然是当前空气动力学研究的热点。高气动效率的翼型和机翼设计是提高飞机气动效率的技术核心。传统翼型和机翼设计采用试凑法，依靠设计者的感觉和经验进行人机交互反复修型，并依赖于大量的风洞试验，周期长、成本高，且很难获得最优设计结果。随着基于计算流体力学(CFD)的气动设计方法和计算机技术的不断发展，数值优化和反设计

5、已成为高气动效率翼型和机翼设计的重要手段，大幅度缩短了设计周期、降低了设计成本r引，并取得了近乎完美的设计结果，如Boeing一787机翼等。机翼设计是总体、气动及结构的多学科耦合设计。在机翼的气动优化设计中，固定机翼面积往往使得优化设计问题得到简化【5]，因此，在超临界机翼设计中，以往的研究多是基于固定平面形状下的机翼剖面翼型优化[61]，通过优化剖面翼型弱化激波、改善机翼气动性能。在机翼的阻力构成中，摩擦阻力和诱导阻力所占比重最大，激波阻力比重很小，因此，仅通过优化机翼剖面翼型弱化激波、减小波阻，不能设计出高气动效率机

6、翼。为了获得最优设计结果，将机翼前缘掠角、展长和当地弦长等机翼几何参数进行优化设计，往往能带来更大的气动收稿日期：2011-04-26；退修日期：2011—07-14；录用日期：2011-07—30；网络出版时间：2011-08-2311：19网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／11．1929V．20110823．1119．002．htmlDOI：CNKI：11-1929／V．20110823．1119．002*通讯作者．Tel．：029—88494846E-mail：bqzhang@nwpu．e

7、du．cn弓

8、焉格武I事沛峰．张彬乾．睬避喜．基fI程的跨声速机翼两步侥化设甘方法!JI．航空学概．2011．32(12)：2153-2162．LiPeifeng，ZhangBinqian，ChenYingchun．Atwo-stepoptimizationmethodoftransonicwingdesignforengineeringapplication[J]．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，20¨．32(12)：2153-2{62．2154航空学报Dec．252011V01．

9、32No．12收益[89

10、，但几何参数变化直接影响机翼的结构重量，单纯追求气动最优而带来结构重量增加并不可取，因此，关于工程实际应用的机翼设计问题，必须针对气动和结构重量进行综合考虑。本文以跨声速机翼设计为研究对象，以权衡机翼气动性能和总体设计要求为出发点，在机翼结构重量和容积约束下，提出了平面形状优化