结构动力学与颤振约束下无人机机翼优化设计

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1、第４６卷第５期航空计算技术Ｖｏｌ．４６Ｎｏ．５２０１６年９月ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＣｏｍｐｕｔｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅＳｅｐ．２０１６结构动力学与颤振约束下无人机机翼优化设计李倩，罗利龙，常亮（中国飞机强度研究所，陕西西安７１００６５）摘要：提出了同时考虑结构动力学约束和颤振约束的优化设计方法，建立了利用规划优化算法求解问题的流程，并将其融入大型ＣＡＥ软件系统ＨＡＪＩＦ２０１３中，研究了优化问题中目标函数和约束条件的选取方式。以某型无人机机翼颤振模型为算例，利用拉盖尔迭代方法自动计算颤振速度，并对优化

2、算法的有效性进行了验证。研究表明，所提出的优化设计方法有效，实现了整个优化求解流程的自动化，对工程设计具有指导意义。关键词：气动弹性；颤振；优化设计；ＨＡＪＩＦ２０１３；无人机中图分类号：Ｏ２４２文献标识码：Ａ文章编号：１６７１-６５４Ｘ（２０１６）０５-０１０３-０４DesignOptimizationofUnmannedAerialVehicleModelunderStructuralDynamicsandFlutterConstrainsＬＩＱｉａｎ，ＬＵＯＬｉ-ｌｏｎｇ，ＣＨＡＮＧＬｉａｎｇ（A

3、ircraftStrengthResearchInstituteofChina，AVIC，Xi′an７１００６５，China）Abstract：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｍｅｔｈｏｄｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｗｈｉｃｈｔａｋｅｓｉｎｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｂｏｔｈｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｙｎａｍｉｃｓａｎｄｆｌｕｔｔｅｒｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ，ａｐｒｏｃｅｓｓｏｆｕｓｉｎｇｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｍｅｔｈｏｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍｉｓｂｕｉｌｔａｎｄｔｈｅｍｅｔ

4、ｈｏｄｏｆｃｈｏｏｓｉｎｇｏｂｊｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｎｄｃｏｎｓｔｒａｉｎｔａｎｄｂｒｉｎｇｉｎｔｏａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆＣＡＥｓｏｆｔｗａｒｅＨＡＪＩＦ２０１３，Ｗｉｔｈａｎｅｘａｍｐｌｅｏｆａｕｎｍａｎｎｅｄａｅｒｉａｌｖｅｈｉｃｌｅｗｉｎｇ，ｔｈｅＬａｇｕｅｒｒｅｉｔｅｒａｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｈａｓｂｅｅｎｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｔｏｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ｔｈｉｓｅｘａｍｐｌｅｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｄ

5、ｅｓｉｇｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｂｏｔｈｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｙｎａｍｉｃｓａｎｄｆｌｕｔｔｅｒｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｐｏｓｓｅｓｓｉｓｅｆ－ｆｅｃｔｉｖｅ，ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙａｎｄｕｓｅｆｕｌｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｄｅｓｉｇｎ．Keywords：ａｅｒｏｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ；ｆｌｕｔｔｅｒ；ｄｅｓｉｇｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ＨＡＪＩＦ２０１３；ＵＡＶ引言库为支撑，提供飞行器结构静强度、动强度、热强度、气动弹性、结构优化设计等基本求解功能，以及飞机结构

6、随着现代航空技术的发展，大展弦比机翼飞机不细节强度校核、耐久性等特色分析功能。系统还提供断涌现，飞行器设计中的气动弹性问题已越来越引起可满足用户特殊需求的开放式定制环境，并设计有与人们的关注。近十年来，在现代空气动力学和结构力多种主流ＣＡＥ软件的接口，具备独立的前后置处理功能。学长足发展的推动下，飞行器的气动弹性问题也成为［３］常见的敏度分析方法有：总体有限差分法、解析了现代飞行器设计中的热点课题。同时，随着技术的法。总体有限差分法实施简单，不用具体地深入结构，进步，人们对结构设计提出了更高的要求，人们

7、不但关缺点是存在着较大截断误差，扰动变量的大小不好控心结构响应的大小，还关心其敏度，以便于对结构进行制，并且每一设计敏度必须进行两次结构分析，当变量优化设计。在初步设计中，工程师会首先确定一些可较多时分析效率较低；解析法可以精确求解，但是求能的设计变量，根据这些变量的敏度选择合适的设计解效率低。本文采用解析法求解动力与颤振敏度，变量。在优化设计中，工程师基于设计变量对结构进ＨＡＪＩＦ２０１３所特有的大变量求解技术可以避免传统解行迭代优化，在这个过程中敏度非常重要，因为它为优析法的求导效率低下的问题，极大

8、地提高了效率。化提供搜索方向梯度。航空结构强度分析与优化设计软件系统（ＨＡＪＩＦ２０１３）是中航工业强度所研制推出的国内航空１优化流程［１］界功能最为全面的大型ＣＡＥ软件，以强度试验数据本文中的结构优化流程如图１所示。本文着重对收稿日期：２０１６－０６－２３修订日期：２０１６－０９－０３作者简介：李倩（１９８６－），女，陕西西安人，工程师，硕士，主要研究方向为结构优化与仿真。・１０４・航空计算技术第４６卷第５期灵敏度分析进行阐述。为颤振速度