基于DFFD技术的翼型气动优化设计

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1、航空学报Mar．252014V吼35No．3695-705ActaAeronauticaetAstronaulicaSinicaISSN1000—6893CN11—1929／VhttD：∥hkxb，buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn基于DFFD技术的翼型气动优化设计陈颂，白俊强*，孙智伟，王丹西北工业大学航空学院，陕西西安710072摘要：开展了直接操作自由变形(DFFD)技术在翼型参数化及翼型气动外形优化设计中的应用研究，应用该方法可以对鬓型形状进行直接操纵和精细的局部修型，从而在一定程度上克服了自由

2、变形(FFD)技术无法直接指定几何外形变形量的局限性。通过最小二乘模式根据翼型表面直接操作点的位移求解各个FFD控制点相应的位移，将翼型设计参数从FFD控制点转化为翼型表面的直接操作点，从而有效地减少了高阶FFD控制体进行翼型参数化时的设计参数个数。算例表明，相比于FFD方法，DFFD方法不仅具备直接操纵翼型几何外形的能力，更具物理直观性，并且比FFD方法具有更好的局部变形特性。运用该技术结合遗传算法对RAE2822翼型进行了气动减阻设计，显著减小了设计状态下翼型的阻力，并且可以有效施加如前后梁位置翼型厚度等工程实用的几何

3、约束，证明了该方法的有效性。关键词：优化；翼型设计；气动阻力；参数化；自由变形中图分类号：V221．3文献标识码：A文章编号：1000一6893(2014)03一069511随着计算流体力学(CFD)和计算机辅助几何造型设计以及数值优化等技术的日趋成熟，气动外形优化设计在航空工程实践中，急需解决的关键问题之一是建立可以很好满足工程实际约束并且稳健灵活的几何外形参数化方法u]。高效的几何参数化方法可以实现使用相对较少的参数对飞行器外形进行准确的几何定义。已经应用在飞行器气动外形设计及优化中的几何外形参数化方法有很多，其中翼型

4、的参数化方法主要有Hicks—Henne基函数扰动法[2]、So—biezky提出的根据翼型关键几何参数定义的PARSEC参数化[3]、B色zier曲线H]、非均匀有理B样条(NuRBs)n1和类函数形函数方法(CST)[5—71等。Sederberg和Parry于1986年首次提出的自由变形(Free—formDeformation，FFD)方法。8』已经在图形图像、动画设计领域得到了广泛的应用。由于FFD方法具有变形能力强，不需要对初始外形进行拟合，并且可以保持初始几何外形的连续性、光滑性，操作简单等优点，已经开始作为

5、一种几何外形参数化方法被应用在飞行器气动外形设计领域中凹]。Palacios等采用FFD方法对某超声速客机构型进行了气动优化设计，显著减小了激波阻力口⋯。文献[11]～文献[13]也分别采用FFD技术对翼型以及机翼进行了气动优化设计，取得了一定的效果。尽管FFD方法具有很强的几何外形描述以及变形能力，但是其应用在飞行器气动外形设计上仍然有一定局限性。一方面设计者需要通过指定FFD控制点的位移来实现几何外形的变形，无法直接控制几何外形上指定位置的变形。用来操纵几何变形的FFD控制点并不直接与被操纵的收稿日期：2013—05—

6、15；退修日期：2013—11—15；录用日期：2013—11—25；网络出版时间：2013—12·0411：24网络出版地址：www．cn¨net／kcms／detail／111929．V201312041124005，htmI基金项目：国家“973”计划(2014cB744800)*通讯作者．Tel：029-88492174E—mail：junqiang@nwpuedu．cn引用纂武lc№ns．8alJQ，sunZw，eta

7、。Aefoaynamlcopllmizatl。ndes睁ofa{玎o{l游

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10、caetAs—tronauticas’nica．2014．35(3)：695—705睬颂．白俊强．孙智伟，等基于OFFD技术的翼型气动优化设计!Jji航空学报，2014，35f3)：695—705．航空学报几何外形的变形相关联，因此欠缺一定的物理直观性Ll“。并且这种间接的几何操作很难直接在几何参数化过程中通过对设计参数的控制对气动外形施加一定的几何约束，因为这种方法只有在变形完成之后才能确定几何外形上某一点由于变形产生的位移。另一方面当需要对局部外形进行细节精细化设计时，需要建立高

11、阶的FFD控制体，即需要移动大量的FFD控制点，导致设计变量过多‘“。直接操作FFD(DirectlyManipulatedFFD，DFFD)方法，即通过将待变形的几何外形上表面指定位置点(直接操作点)的位移作为几何约束，采用一定的模式一次求出可以满足所有几何约束的FFD控制点位移组合后，再通过FFD方