基于多学科设计优化的机翼重量计算方法

摘要

重量计算在飞机设计过程中扮演着至关重要的角色，关系着飞机设计项目的成败。要计算出高精度高可信度的机翼结构重量不仅需要详细的结构信息，也需要其它学科的详细信息，例如气动优化后精确的几何外形、精确的表面压强分布、燃油分布、动力学特性以及采用材料的性能等，而且其中一些不同学科的信息相互耦合的，需要迭代分析和优化设计。因此本文采用多学科设计优化方法，以支线客机机翼为研究对象，研究了一种适用于飞机总体设计的基于多学科设计优化的机翼重量计算方法，为飞机总体方案论证和机翼重量指标的确定提供了一个支撑工具。论文主要研究内容如下：
　　1）在分析了基于工程梁理论的翼盒结构重量计算方法的优缺点基础上，基于多学科设计优化和结构有限元方法，提出了一种新的机翼结构重量计算方法。不仅研究了气动和结构本学科内的问题，而且还研究了学科间的问题。在气动方面以最大升阻比为目标，在结构方面以最小结构重量为目标，考虑了气动和结构间的载荷传递和耦合关系（气动弹性）和不同的选材方案。
　　2）研究了机翼外形和结构参数化方法，不仅适用于后掠翼参数化建模，而且适用于前掠翼参数化建模；研究了加筋壁板参数化定义，便于结构加筋布局优化。
　　3）提出了包含刚度等效和强度等效的加筋壁板的等效方法，将等效方法和有限元方法相结合，增强了机翼结构有限元模型的参数化功能，很好地克服了传统有限元方法的建模复杂和计算量大的缺点，解决了静力分析模型、屈曲分析模型和动力学分析模型难以统一的矛盾。
　　4）提出了“三步走”的结构优化策略，有效地分解了结构优化问题，分层次进行复合材料铺层优化、结构重量和效率优化、机翼总体刚度和气弹优化。
　　5）应用有限元方法计算翼盒结构重量，应用基于统计学的经验公式计算次要结构和杂项重量。将二者方法相结合，能够有效地计算完整的机翼结构重量。对比基于工程梁理论的机翼结构重量的计算方法，该方法更准确可靠。
　　6）建立了基于多学科设计优化方法的机翼结构重量计算平台，对常规的后掠翼和非常规的前掠翼的机翼重量进行了分析。分析结果表明，本文提出的方法可提高机翼重量预测的精度，拓展机翼重量计算方法的适用范围。

目录

声明

注释表

缩略词

第一章 绪 论

1.1 飞机设计与重量计算

1.2 飞机重量计算方法的研究进展

1.3 存在的问题

1.4 重量计算的发展趋势

1.5 本文的目的与内容

第二章 基于工程梁理论的机翼重量计算方法

2.1 引言

2.2 机翼结构重量

2.3 理想主承力结构重量

2.4 惯性卸载

2.5 翼盒非理想结构重量

2.6 主承力结构重量修正

2.7 次要结构和杂项结构重量计算

2.8 机翼结构重量

2.9 计算程序与算例

2.10 小结

第三章 基于多学科设计优化的机翼结构重量计算流程

3.1 引言

3.2 多学科设计优化（MDO）基本原理

3.3 机翼重量计算问题描述

3.4 多学科设计优化和重量计算问题之间的关系

3.5 基于多学科设计优化的机翼结构重量计算流程

3.6 小结

第四章 参数化机翼几何和结构模型

4.1 引言

4.2 后掠翼与前掠翼外形特点分析

4.3 机翼外形参数化方法

4.4 机翼结构参数化方法

4.5 三维CAD模型的自动生成

4.6 小结

第五章 气动优化

5.1 引言

5.2 气动分析模型

5.3 气动优化

5.4 算例

5.5 小结

第六章 基于等效模型的机翼结构优化

6.1 引言

6.2 等效方法

6.3 结构刚度等效

6.4 结构强度等效

6.5 等效结构有限元模型

6.6 机翼载荷计算

6.7 载荷加载方式

6.8 基于等效模型的结构优化

6.9 算例

6.10 小结

第七章 机翼结构重量计算平台的建立

7.1 引言

7.2 集成平台简介

7.3 基于多学科设计优化的机翼结构重量计算平台

7.4 集成过程

7.5 应用算例

7.6小结

第八章 前掠翼客机方案的机翼结构重量计算与分析

8.1 引言

8.2 前掠翼方案简介

8.3机翼几何模型

8.4 机翼气动优化

8.5 结构优化

8.6 优化结果及分析

8.7 前掠机翼与后掠机翼方案的重量比较

8.8小结

第九章 总结与展望

9.1 研究工作总结

9.2 主要创新点

9.3 进一步的研究方向

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文