客机机翼气动结构耦合优化方法

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1、客机机翼气动/结构耦合优化方法胡婕，余雄庆（南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室南京210016）摘要：本文针对机翼的气动/结构耦合设计问题，研究一种实用有效的数值模拟方法，提出一种简便合理的优化方法。针对客机机翼特点，实现参数化气动分析模型和结构有限元模型的自动生成；分析气动和结构之间耦合关系分析，研究一种气动载荷自动加载到结构模型、根据结构变形自动重新生成外形的方法；提出基于分层思想和传统迭代优化的多学科优化方法；在iSIGHT-FD软件环境下实现机翼气动/结构多学科优化计算流程。算例结果表明

2、，本文提出的机翼气动/结构耦合优化方法可用于考虑静气动弹性的客机机翼初步设计研究。关键词：机翼，多学科优化，耦合，气动，结构引言客机机翼设计是一个典型的多学科问题。在初始设计阶段，它主要包括气动设计和结构设计。为兼顾气动效率要求和结构重量要求，设计的关键是找到飞机气动效率与重量之间的恰好折衷。同时随着现代高速飞机速压增大、尺寸加大，机翼结构的弹性变形所引起的气动特性变化十分显著，忽视这差别会给飞机设计带来严重的影响。因此，这些结构的气动弹性变形是设计阶段的重点，即机翼的设计是气动和结构综合优化的结果。虽然采用工程

3、估算方法也可进行气动效率与重量的权衡分析，但这种方法精度较低。近十几年来，随着计算空气动力学和结构有限元方法的不断成熟和普及，应用多学科设计优化（MDO）方法研究机翼初步设计受到了广泛的关注[1]。Velden等应用MDO研究了大型客机机翼气动/结构一体化设计问题[2]。Heinrich等应用计算空气动力学和结构有限元方法研究了机翼气动和结构之间的耦合关系[3]。Piperni等研究了公务机机翼气动/结构多学科设计优化问题[4]。张科施等研究了一种计及气动弹性的运输机机翼气动/结构综合优化设计方法[5]。同时，针

4、对气动/结构网格交互问题，无限平板样条（IPS）内插值法[6]，常体积转换法[6]等被提出并广泛应用。10本文根据机翼设计中气动、结构相互作用的特点，合理分解了其设计分析过程，分别模块化，使之均具有可替代性。在此基础上，结合二级协同优化方法[1]，给出了针对该问题的简便、有效的优化策略和流程。该优化设计流程中的模型生成和单学科分析均采用较成熟的商用软件，便于实现和更改。一问题分析与规划1.1机翼优化问题定义机翼气动/结构多学科设计优化问题表述如下：设计目标：①升阻比尽量大；②重量尽量小。设计约束：①满足升力系数要

5、求；②满足强度、刚度要求；③油箱体积要求。设计变量：①外形参数；②结构参数。上述优化问题中涉及气动外形和结构尺寸，且气动载荷分布影响机翼结构重量，结构变形影响气动特性。单独的气动优化方法或结构优化方法无法求解这个优化问题，必须应用多学科设计优化方法。1.2气动/结构耦合关系分析机翼设计中气动与结构的耦合关系，主要表现为气动载荷分布对结构重量的影响以及结构弹性变形对气动特性的反作用。这里引出了两个耦合变量（相关变量）：一个是气动设计和分析得到的气动力分布值，同时是结构设计分析的关键数据；另一个是通过结构设计分析得到

6、的结构位移（变形）分布值，对气动力的分布有较大影响。目前对此类变量的处理，并没有共通有效的处理措施。因此机翼的气动/结构耦合优化问题解决的关键在于采用何种方式求解能够使最终结果收敛于最优解[8]。变量之一的气动力分布值，对结构重量优化结果的影响，主要在于其沿展向的分布。因此将其展向分布特征表现为一个参数——载荷分布控制参数（中间位置和翼稍位置升力系数的比值），从而解除该耦合关系。试验数据表明，该方法合理。结构位移分布值对气动计算结果的影响较为复杂，无法直接解耦，因此采用了迭代求解的方式。1.3学科分解和变量分类1

7、01）学科分解多学科优化中，学科不仅是常规意义的不同领域，还泛指系统设计所包含的子系统，如设计流程的不同阶段等任意独立概念的定义。因此针对机翼气动、结构的优化问题，将之分解为广义上的三个学科：气动、结构、耦合。传统学科气动、结构部分，主要针对涉及本学科的变量做单学科优化，是独立子系统；耦合部分解决气动与结构学科间的相互作用问题，在气动、结构独立优化的基础上，修正与系统级优化目标有关的子系统优化结果，对其他子系统起到协调和共享的作用。2）变量分类机翼的设计变量，根据它们对设计目标的影响可以分为以下4类：a.系统变量

8、：后掠角、扭转角、展弦比、根梢比、翼型厚度、气动载荷展向分布控制参数。它们影响机翼上的气动载荷分布，而气动载荷的分布对诱导阻力和机翼重量均有直接影响。b.气动变量：翼型弯度参数、翼剖面扭转角。在给定翼型厚度和气动载荷展向分布的情形下，翼型弯度参数主要影响阻力特性，扭转角用来满足气动载荷展向分布的要求，对重量影响较小。c.结构变量：结构尺寸。该类参数不会对气动特性产生直接影