基于CSD/CFD技术的可变厚度机翼结构设计及综合优化研究

摘要

智能材料及结构在变体机翼及飞行器上的应用是近年来飞行器设计领域的热点问题之一。本文针对基于形状记忆合金（SMA）驱动器的变体机翼设计及自适应变形优化等关键问题，建立了适用于SMA驱动器冷却系统设计及气动外形优化设计的理论方法。设计了带有弹性上蒙皮的可变厚度机翼模型；针对 SMA丝驱动器的冷却问题，提出了一种新型的SMA丝快速冷却方法并进行了数学建模型及实验分析；针对机翼变形过程中的气动性能最优化问题，发展了基于CFD/CSD技术的流场伴随方程数值优化方法，开发了相应的计算分析程序。通过不同飞行条件下的算例验证了该方法的可行性。研究工作主要包括以下几个部分：
　　(1)设计了以NASA SC(2)-0518翼型为原型的展向等截面可变厚度变体机翼。基于SMA丝设计了可驱动机翼上蒙皮变形的直线位移驱动器。设计了适用于SMA丝快速冷却的套管式强制对流冷却冷却系统，并以高压储气罐内的空气作为冷却气源。基于一元流动方程建立了冷却过程的数学模型，对冷却系统的气罐放气时间、放气压力及两种冷却条件下的冷却时间进行了预测，并通过冷却时间测试实验对数学模型的准确性进行了验证。
　　(2)针对变体机翼气动性能分析过程中粘性流场控制方程及伴随方程的求解，发展了一套适用于低速/中高速流动的统一数值计算方法。分别使用了AUSM类矢通量分裂格式及Jst中心差分格式对无粘通量和粘性通量进行离散计算。利用引入时间导数预处理的LU-SGS隐格式进行时间推进计算，有效提高了计算效率和稳定性。对于湍流计算采用 S-A单方程模型和SST量方程模型进行模拟。基于格心格式的有限体积方法建立了用于流场分析及气动优化计算的分块式结构网格。对于气动外形变化导致的网格变形，采用商业软件ICEM-CFD的脚本功能实现网格快速重建。通过高低速下两个典型算例对数值方法的计算精度、预处理方法的有效性及时间推进的收敛性进行了考察验证。
　　(3)对气动载荷及SMA驱动器同时作用下的蒙皮变形进行了应用CFD方法和CSD静力学的耦合数值分析研究。为建立蒙皮弹性变形控制方程，结合基于Mindlin板理论的弯曲平板单元及平面应力单元建立了8节点矩形壳单元，以此对蒙皮及弹性回位片进行了仿真计算。采用径向基函数（BRF）方法进行了气动载荷和变形位移的精确插值，基于松耦合方法对流场和结构场进行耦合求解，结合蒙皮变形时驱动点位移与SMA驱动器直线位移之间的数学关系建立了气动外形的变形控制方程。
　　(4)基于偏微分方程的控制论，以翼型某项气动性能为目标函数，气动外形控制方程为控制函数，N-S方程作为约束条件，将气动外形优化问题转化为控制问题。通过令气动参数变分表达式中关于流场变量变分量的系数为0，导出了流场伴随方程及相应的伴随边界条件。从而使目标函数梯度计算量缩减为2次N-S方程的计算量，且与设计变量的数目无关。将伴随方程形式转化为与 N-S方程类似的形式以便于采用统一的流场求解方法。推导了以升力、阻力及升阻比为目标函数的梯度具体表达式。在30m/s和0.6Ma两种自由来流工况下对本文设计的变体机翼进行了变形优化分析，通过与传统遍历计算及有限差分梯度计算方法的对比，显示了流场伴随优化方法的高效性及准确性，为这种新型优化设计方法在变体机翼设计中的应用打下基础。

目录

声明

名词解释及变量符号

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究发展现状

1.3本文的主要研究内容

第二章 可变厚度机翼模型及SMA冷却系统设计研究

2.1引言

2.2变体机翼总体结构设计

2.3基于SMA丝的驱动器结构设计

2.4 SMA丝力学性能测试

2.5套管式SMA丝冷却系统设计研究

2.6本章小结

第三章 流场数值模拟方法及算例验证

3.1引言

3.2流动控制方程

3.3 空间离散

3.4时间离散格式

3.5湍流模型

3.6网格生成及变形策略

3.7气动力的表达形式

3.8流场计算数值方法验证

3.10本章总结

第四章 可变上蒙皮有限元建模

4.1引言

4.2基于Mindlin板理论的壳单元构造方法

4.3位移约束型边界条件的处理方法

4.4等效节点载荷

4.5算例及实验验证

4.6翼型重建

4.7本章小结

第五章 基于流场伴随方程的变体机翼气动外形优化方法

5.1引言

5.2流场伴随优化方法原理简介

5.3基于梯度的优化方法

5.4 N-S方程中无粘项和粘性项对伴随方程的影响

5.5气动外形寻优计算过程

5.6优化算例

5.7 低速工况下的翼型升阻比优化实验

5.8本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2本文创新点

6.3研究工作改进及展望

参考文献

致谢

在校期间以第一作者发表的学术论文

在校期间申请的发明专利

在校期间参与的基金项目