翼身融合布局大型客机总体方案综合分析评价与优化

摘要

翼身融合布局是将传统布局飞机的机身结构与机翼结构相融合的新型飞机布局型式。凭借在气动、结构、装载和环保方面的优势，这种布局型式有可能在未来长航程大型客机中获得应用。翼身融合布局客机总体设计的一项关键技术是翼身融合布局客机总体方案的综合分析与优化方法。针对这一关键技术，本文通过研究翼身融合布局客机的多学科分析模型、综合评价模型、高效的优化算法和可视化技术，建立翼身融合布局客机总体方案的综合分析、评价与优化模型并开发工具，为翼身融合布局客机总体设计提供有效的技术手段。论文主要内容如下： 1）针对翼身融合布局客机的特点，通过研究翼身融合布局客机的几何分析模型、气动分析模型、重量重心分析模型和操稳分析模型，结合已有的推进系统分析模型、性能分析模型、直接运营成本分析模型和排放分析模型，建立了翼身融合布局客机的多学科综合分析模型。其中，几何分析模型采用参数化方法，快速实现翼身融合布局客机的客舱布置和三维外形生成；重量重心、气动和操稳分析模型则采用了数值分析和工程算法相结合的方法。 2）针对客机总体方案综合评价问题，应用层次分析法建立了一种客机综合评价模型。以客机的竞争力为综合评价目标，以经济性、舒适性、环保性和适应性为评价准则，通过建立判断矩阵，将评价准则转化为固定权重的具体民机性能指标，建立了包含22个具体指标的四级层次结构。引入多人评价机制，建立了群组层次分析综合评价模型。 3）为提高优化计算效率和优化方法易用性，提出了新的优化算法和有效的优化可视化方法。将结构可靠性问题常用的子集模拟方法用于优化问题，并基于非支配排序和去重排序两种排序方法，提出了一种新的优化算法―多目标子集模拟优化算法。在优化算法中引入并行机制，进一步降低了优化计算时间。通过多种图形显示方式，提出了一种客机总体参数优化的可视化方法，使得优化建模、优化过程观察和优化结果分析更为直观，能更有效地辅助设计人员进行优化建模、多角度参数分析和方案决策。 4）基于MATLAB平台，实现了翼身融合布局客机的多学科综合分析模型、综合评价模型、子集模拟优化算法和优化可视化方法的集成，开发了翼身融合布局客机总体方案的综合分析、评价和优化工具。 5）以典型的翼身融合布局客机总体方案为例，测试和验证本文开发的翼身融合布局客机总体方案的分析、评价和优化工具。以最大起飞重量最小为目标完成了传统单目标优化；以进场速度最小和直接运营成本最低为目标完成了传统多目标优化；以竞争力最强为目标完成了无约束综合评价优化。结果表明，本文建立的模型和工具可以实现对翼身融合布局客机方案的分析、评价和优化，可在翼身融合布局客机的总体设计阶段为方案决策提供帮助。另外，将优化结果与同座级常规客机比较，分析了翼身融合布局的技术效益。结果显示，相较于常规客机，翼身融合布局客机在降低运营成本上具有较大优势。但是由于缺乏有效增升装置，且无常规尾翼，翼身融合布局客机在起降性能和操稳性能上处于劣势。

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