基于自由曲线建模方法的翼梢小翼优化设计

论文摘要

翼梢小翼具有减少诱导阻力的作用,对于运输机而言,安装小翼可以提高其气动性能。但是,翼梢小翼又会导致翼根弯矩增加,影响机翼结构强度。多参数控制的NURBS曲线具有很强的成形能力,适合于构建新型翼梢小翼参数模型。小翼翼型对小翼气动性能影响较大,设计中需要选择合适的翼型。此外,气动计算方法和优化策略的选择直接影响优化结果的好坏。本文以小翼减阻最大化为设计目标,以翼根弯矩增加量小于5%为约束,以商用飞机的巡航状态为设计状态,对所设计的新型小翼进行优化。本文首先根据小翼特点,确定小翼翼型的选择标准,然后通过叠加Hicks-Henne函数方法优选得到合适的翼型。其次,利用基于NURBS原理的自由曲线构造小翼的前后缘线,最后利用曲面扫掠形成模型。第三,考虑到涡格法计算速度快,CFX计算精度高,全局优化范围广,分级优化能降低优化规模,本文将它们组合成两种策略:基于涡格法的全局优化、基于CFX的分级优化。同时,加入基于涡格法的分级优化用于对比,全局优化分为后缘有约束和无约束两种设计。最后,对优化结果进行分析,将其与简单增展机翼的减阻效果和机理进行对比。结果表明:本文所设计的翼梢小翼通过不同优化策略得到的小翼都有良好的减阻效果,其中后缘有约束的全局优化得到的小翼和基于CFX的分级优化得到的小翼分别减阻力7.02%和6.7%。在近场,简单增展机翼能够使翼尖涡远离机翼,而翼梢小翼不仅如此,还能将较强翼尖涡分散成强度降低的涡。在远场,小翼和简单增展机翼都没能加快翼尖涡消散。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 背景
• 1.2 翼梢小翼的发展及趋势
• 1.3 翼梢小翼优缺点及与其他翼尖装置的比较
• 1.3.1 翼梢小翼优缺点
• 1.3.2 翼梢小翼与其他装置的比较
• 1.4 翼梢小翼减阻原理
• 1.4.1 阻力理论
• 1.4.2 翼梢小翼减阻机理
• 1.5 本文工作
• 1.6 本章小结
• 第二章 翼梢小翼优化设计方法及使用的技术
• 2.1 翼梢小翼优化设计方法介绍
• 2.1.1 一般设计优化方法
• 2.1.2 设计目标及约束
• 2.1.3 本文具体设计流程
• 2.2 计算流体力学
• 2.2.1 计算流体力学的在设计中的应用
• 2.2.2 翼尖小翼设计中的气动特性计算方法发展
• 2.3 其他所使用的技术介绍
• 2.3.1 网格划分软件
• 2.3.2 实验设计方法（DOE）
• 2.3.3 Kriging 模型
• 2.3.4 遗传算法
• 2.4 本章小结
• 第三章 翼梢小翼翼型优选
• 3.1 翼型设计方法的发展及分类
• 3.2 本文翼型的设计方法
• 3.3 翼梢小翼翼型选择的标准
• 3.4 翼型优选过程
• 3.4.1 翼型的参数化
• 3.4.2 翼型选择具体过程
• 3.5 结果分析及比较
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于自由曲线的翼梢小翼建模方法及参数设置
• 4.1 传统翼梢小翼建模方法及参数设置
• 4.1.1 传统建模介绍
• 4.1.2 其他的五种小翼建模方法
• 4.2 建模环境介绍
• 4.2.1 CATIA 介绍
• 4.2.2 参数化方法介绍
• 4.3 自由曲线翼梢小翼建模方法
• 4.4 自由曲线小翼参数与传统小翼参数比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于涡格法（VLM）的翼梢小翼全局优化
• 5.1 涡格法（VLM）
• 5.1.1 涡格法简介
• 5.1.2 诱导速度
• 5.1.3 边界条件
• 5.1.4 网格点布置原则
• 5.1.5 CATIA 中模型数据的提取
• 5.1.6 用于曲面的涡格法
• 5.2 阻力模型
• 5.2.1 诱导阻力模型
• 5.2.2 废阻模型
• 5.3 涡格法程序验证
• 5.4 全局优化目标及过程
• 5.4.1 优化目标
• 5.4.2 优化过程
• 5.5 全局参数分析
• 5.6 结果分析比较
• 5.7 本章小结
• 第六章 基于CFX 和涡格法（VLM）的翼梢小翼分级优化
• 6.1 分级优化介绍
• 6.1.1 分级优化现状
• 6.1.2 分级优化的特性
• 6.2 分级优化目标及过程
• 6.3 网格划分及CFX 参数设置
• 6.3.1 网格划分
• 6.3.2 CFX 计算参数
• 6.4 优化中的半自动化
• 6.5 分级参数分析
• 6.6 结果分析比较
• 6.7 本章小结
• 第七章 CFX 和VLM 计算结果流场分析及比较
• 7.1 全局优化与分级优化比较
• 7.2 CFX 和VLM 在翼梢小翼优化设计中的比较
• 7.3 优化结果与基准小翼、简单增展机翼的比较
• 7.4 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 小翼设计展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文