民机总体设计参数选择与多目标优化

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1、2010年6B沈阳航空工业学院学报第27卷第3期JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEngineeringJun．2010V01．27No．3文章编号：1007—1385(2010)03一O007—04民机总体设计参数选择与多目标优化丁鼎张云飞(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191)摘要：基于优化算法需要和民机设计的特点提出了参数选择的新思路。为避免抖振和飞行品质问题明确了巡航飞行马赫数、最大运行马赫数和阻力发散马赫数的相互关系；数值分析表明。使用翼根相对厚度作为参数的机

2、翼重量公式更为合理，对改善分析精度有利。以A320为算例，采用多目标粒子群算法优化得到的优化解与原机型的设计指标和参数接近，避免了以往出现的问题，从而证明参数选择的优越性。关键词：民用飞机；总体设计；多目标优化中图分类号：V221文献标识码：A民用飞机总体设计多目标优化中，对设计参数选择的要求是要在满足一定分析精度的条件下保证计算效率。现有研究的热点集中在算法的优劣和其在具体设计问题上的应用，而参数选择这项重要的工作没有得到足够的重视。Raymer在文献[1]中简单阐述了设计参数的几项依据，其中最重要的是要求设计参数对方案的设计指

3、标有相当的影响，并且这个影响能够进行分析计算。我们认为现有的民机优化研究在参数选择上仍然难以满足这些基本要求。结合定性分析和定量计算针对以往优化研究中暴露出的问题提出了解决途径，并以A320飞机多目标优化问题作为算例证明所提出解决方法的合理性。1设计飞行马赫数参数在民机总体设计阶段影响较大的马赫数参数有：远航巡航马赫数M“¨最大运行马赫数M。和阻力发散马赫数M曲。以往的民机总体设计优化研究中对马赫数参数的处理一般比较粗糙，经常出现不合理的简化假设，这点在M。妇和M曲的关系上尤其突出。Roth等人【2J早期的研究中优化得到的数个解的

4、机翼1／4弦后掠角仅为30一90，M扭的估计值在M0．7左右，但M。“。却高达M0．85，作者解释这个收稿日期：2010—04—14作者简介：丁鼎(1986一)，男，上海人，硕士研究生，主要研究方向：民机总体设计，多目标优化算法，E—mail_,ronaldsander也1@hotmail．corn；张云飞(1964一)，男，湖南长沙人，教授，主要研究方向：飞机总体设计，飞机隐身设计。飞行器效能分析。不合理的现象源于空机重量公式存在不足。我们认为如果任由M。。k和M西参数在优化过程中自由变化而分析程序又缺乏对飞机在M机下飞行品质的

5、分析能力，优化程序就能利用这些弱点生成不合理的“优化解”，所以只依靠重量公式来约束设计参数之间原本明确的关系是不合理的。Per-ez等人口1在一项相似的研究中对每一个方案计算Mm，如果Mm，小于M。血则认为此方案不可行并做丢弃处理。在文献[4]中作者计算了数个机翼站位上的局部M拆，并限制其低于M。。k。这些方法虽然都是在文献[2]基础上有所改进，但都存在两个问题：一是增加了优化中不可行解出现的频率，降低了搜索最优解的效率；二是简单地认为只要M。n．沁低于M出，则方案即可行。在实际的民机设计中这些关键速度、马赫数的确定很复杂。在M曲

6、以上飞行不仅会带来很大阻力，也会导致飞行品质的下降L5】。适航条例规定民机在正常巡航和低过载机动中飞行马赫数和抖振边界之间必须留出足够的安全余量。而在概念设计阶段计算抖振边界是一项困难的工作，如果无法得到巡航升力系数下的最大M。咖可以根据以往的设计经验直接限定M曲和M。的关系，并规定在优化中M删。只能小于等于M。。这样在计算目标函数值之前就已经保证不会穿越抖振边界，避免生成大量不可行解浪费计算资源。通过研究相关文献[6“o可总结出如下明确关系：M．o=Mdi，-0．01(1)M。。；le=M。一0．03(2)M。和M西可选其中之一

7、作设计参数，并以Kom8沈阳航空工业学院学报第27卷方程‘7，91与机翼几何参数相联系。2机翼相对厚度参数在Raymer⋯建议的六大基本设计参数中包括了机翼平均相对厚度t／c。在其后出现的诸多总体设计优化研究中也一般以t／c作为设计参数。一般民机展向t／c和绝对厚度在设计中都必须经过复杂的优化，结果一般呈非线性分布”。6J。这使得无法使用单个平均t／c代表整个机翼。虽然文献(ADSA和[8])中也有一些使用平均t／c为参数的机翼重量公式，可能也能在某些飞机上得到好的结果，但选择机翼重量公式的依据应该不仅仅是在几个孤立飞机上应用得到

8、的点精度而是看其包含了影响重量的关键因素并且能反映这些参数变化带来的重量变化。在这一点上使用物理意义更为明确可信的公式要可靠得多。Kroo等人曾推导了一个半解析的机翼重量公式，其假设平均t／c代表了整个机翼的绝对厚度分布来将承弯结构截面A表达式(3