ffd方法在气动优化设计中的应用

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1、中国科学:物理学力学天文学2014年第44卷第3期:267–277《中国科学》杂志社SCIENTIASINICAPhysica,Mechanica&Astronomicaphys.scichina.comSCIENCECHINAPRESS民机论坛专题·论文FFD方法在气动优化设计中的应用*王丹,白俊强,黄江涛西北工业大学航空学院,西安710072*联系人,E-mail:wangdan_hong@163.com收稿日期:2013-04-17;接受日期:2013-09-27摘要本文将基于弹性体变形思想的FFD(FreeFormDeformat

2、ion,自由变形)方法引入飞机气动外形优化设计中,为气动优化设计提供了一种快速、有效的参数化方法和自动网格生成方法.对FFD方法的原理进行分析,归纳了FFD方法的特点;将FFD方法应用于几何外形参数化和空间网格自动生成中,建立了基于FFD方法和遗传算法的翼型优化设计系统以及基于FFD方法、遗传算法和Kriging代理模型的翼根整流包优化设计系统;分别对NACA0012翼型和DLRF4翼身组合体翼根整流包进行减阻优化设计,优化结果得到了显著的减阻成效,证明了FFD方法在气动优化设计中有很好的应用效果.关键词FFD,优化设计,自动网格生成,翼

3、型设计,机翼整流包设计PACS:02.10.Ox,02.60.-x,02.60.Cb,47.85.Gj,47.85.lbdoi:10.1360/132013-189气动外形优化设计主要包括气动外形的参数化、生成计算网的格质量和速率也密切影响着优化结果.计算流场网格的生成、CFD(ComputationalFluid优化设计中常用的自动网格生成方法有弹簧法、无限Dynamics,计算流体力学)模拟计算、优化搜索算法差值法等,以及借助于商用软件调用脚本生成网格这四个方面内容.参数化方法的好坏直接影响了优等方法.这些网格生成方法与参数化方法没有

4、直接化结果,目前常用的参数化方法有:网格点法(基于联系,需要另外进行,效率不高.近年来国内外有很[1,2][3]点的变形)、各种型函数法、偏微分方程法、多项多人对曲面参数化做了研究,Samareh等人对式与样条法、设计变量有物理意义的几何参数化方法NURBS变形方法进行了研,但NURBS方法只能对等.对于日趋精细的气动外形设计,参数化方法要求模型表面网格进行变化,优化设计中的空间流场计[4]能光滑描述几何外形、具有充满设计空间的变形多样算网格需要另外生成;Song等人对基于B-spline和性、方便进行局部修型等特点.传统的参数化方法对C

5、AD(ComputerAidedDesign,计算机辅助设计)实体曲线变形控制较为成熟,但在曲面变形方面的能力建模相结合的曲面参数化方法进行了研究,但该方差强人意,通常需要较多的设计变量来控制形变.计法中变形曲面的最终获得需借助CAD工具实现,并算流场网格的生成作为优化设计中的关键技术之一,且计算网格的生成也还需另外操作,在优化过程中引用格式:王丹,白俊强,黄江涛.FFD方法在气动优化设计中的应用.中国科学:物理学力学天文学,2014,44:267–277WangD,BaiJQ,HuangJT.Theapplicationofffdmet

6、hodinaerodynamicoptimizationdesign(inChinese).SciSin-PhysMechAstron,2014,44:267–277,doi:10.1360/132013-189王丹等:FFD方法在气动优化设计中的应用很不方便.的新位置.FFD方法采用Bernstein基函数来建立控制FFD(FreeFormDeformation,自由变形)方法常点与控制框架内的点位置的函数关系式,表达式为见于计算机三维绘图中[5–7],将FFD方法用于气动优lmnXPffd(,,)stuijk,,BsBtBui

7、l()jm()().kn(1)化设计的参数化和自动网格生成中,特别是动网格ijk000生成中,使得气动优化系统简单高效.FFD方法以弹其中Xffd为控制框架内任意一点的全局坐标值;Pi,j,k性体受力后变形的思想来解决三维几何变形问题,为控制点的全局坐标值;Bil(s),Bjm(t),Bkn(u)分别为l,能用较少的设计变量光滑的描述曲线、曲面、三维几m,n次Bernstein多项式基函数;s,t,u分别为该点在何体的几何外形,能方便地应用于局部外形修型设局部坐标系OSTUYZ中沿S,T,U方向的坐标值.当计,并且具有流场网格随物

8、体变形自动调整等特点.控制点的位置变化,Pi,j,k值改变,代入上式得到变形本文对FFD方法的原理和其在气动优化设计中的实后控制框架内局部坐标值为(s,t,u)的点的新位置.际应用做了阐述和分