客机机翼环量分布的气动∕结构一体化设计

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaDec．252013VOI．34NO．122725—2732ISSN1000．6893CN11．1929／VhttD：∥hkxb．buaaedu．cnhkxb(蚕》buaa．educn客机机翼环量分布的气动／结构一体化设计巨龙1，白俊强1’”，孙智伟1，陈颂1，李权21-西北工业大学航空学院，陕西西安7100722．中航工业第一飞机设计研究院，陕西西安710089摘要：研究了民用客机机翼设计中的环量分布设计规律。建立了一

2、种以航程为系统级优化目标，融合气动与结构两个学科作为子学科的多学科NAND(NestedAnalysisandDesign)优化系统。通过合理的简化模型，有效地研究了机翼展向环量分布对结构重量、升阻比和航程这3方面的影响，找到了一种合理的适用于亚声速单通道民用客机的机翼环量分布。利用航程最远环量分布与椭圆形环量分布分别设计一副机翼并进行对比验证，结果表明：使用设计环量分布的机翼较椭圆形环量分布机翼增加了近5％的阻力，但由于结构减重使航程增加了近loOkm。在机翼设计过程中阻力最小对全机性能来讲可能

3、并非全局最优，将气动压心合理内移会使全机经济性有所提高。关键词：多学科优化；环量分布；机翼设计；结构优化；气动中图分类号：V211．41文献标识码：A文章编号：1000一6893(2013)12—2725一08随着现代科技的发展，人们对民用飞机的经济性要求已经越来越高，机翼作为飞机上的重要部件，通过考虑多学科优化(MDO)设计，提高全机经济性已经愈发必要[1]。在初步设计阶段，机翼设计主要由气动设计与结构设计两部分组成。气动设计的任务是确定机翼外形，在保证有足够升力的前提下，使机翼升阻比尽量大。而

4、结构设计的任务则是选择结构布局形式，确定结构件尺寸，在保证结构完整性的前提下，使结构重量尽可能轻。因此，机翼设计应兼顾气动效率要求和结构重量要求，而其关键是找到飞机气动效率与重量之间的最佳折中。国外对于机翼气动／结构多学科优化设计已经有了大量的研究：Kim等用响应面方法对超声速战斗机机翼平面形状及翼型进行了气动／结构一体化设计心1；Velden等应用MDO研究了大型客机机翼气动／结构一体化设计问题[3]；shi等用响应面方法对M6机翼结构尺寸进行了气动／结构优化设计口3；Piperni等研究了公务

5、机机翼气动／结构多学科设计优化问题[51；Liem等将航程作为优化目标，通过搭建多学科优化平台针对民用客机进行了机翼气动结构的多点优化[6]。近年来，国内在机翼多学科优化设计研究上主要有两大发展方向。第1类主要侧重于机翼MDO框架、优化算法以及代理模型等方法层面的研究：张科施针对基于近似技术的高亚声速运输机机翼气动结构优化设计开展了相关研究口1；胡婕和余雄庆运用二级优化方法求解机翼气动／结构设计多学科优化问题[8]，构建了整套民机多学科设计优化框架及多学科优化平台。但是，这类研究在面对具体问题——

6、例如在设计过程中如何在气动和重量两个学科中进行权衡给出最佳方案时，还是需要依靠设计者的经验积累进行取舍，不能提供一个明确的数理选择方法用于指导设收稿日期：2013—03—20；退修日期：2013—04—15；录用日期：2013—05—12；网络出版时间：2013—05—2012：02网络出版地址：www．cnkinet／kcms／detail／11．1929V201305201202005htmI*通讯作者．Tel．：029—88492174E—mail：junqiang@nwpu．educn现用

7、格式：JuL．8ajJQ，sunZW，eta

8、．

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11、rcranwingActaAefo—nauticaetAstronautlcas{nlca，2013，34(12)：2725—2732．巨龙，白俊强，孙智伟，等i客机机翼环量分布的气动／结构一体化设计．航空学报，2013，34(12)：2725—2732．2726航空学报Dec．252013voI34No．12=====

12、======================================一：计。第2类研究侧重于机翼设计中气动与结构两个学科的关系以及设计规律的研究。目前，国内针对机翼气动结构设计规律的研究并不是很多，只有上海飞机设计研究院的王春梅针对气动压心内移对结构重量的影响进行了具体研究‘9I。但是研究并没有对机翼气动与结构学科间的关系进行深入探讨，总结相关的气动设计规律。本文使用一种基于NAND(NestedAnalysisandDesign)的一体化优化设计方法构建了机翼多学科优化平