HWB中央机体结构非线性分析与方案优化设计方法研究

作为下一代大型民用飞机最具发展潜力的机型之一,翼身融合布局民机一直以来备受关注;而其非圆截面机身结构承载效率低和稳定性差等问题曾成为制约该机型发展的主要结构设计难题,由波音公司和NASA共同提出的基于PRSEUS的中央机体结构为解决这一难题提供了技术途径。为了深入研究翼身融合布局民机中央机体结构的承载特性、非线性分析方法及其优化策略,本文针对基于PRSEUS的HWB中央机体结构,依据其几何设计要求和复杂载荷特征,建立了高保真有限元模型及其边界、载荷施加方式;依据典型载荷工况,开展了HWB中央机体结构非线性分析;最后,利用多岛遗传优化算法,对HWB中央机体结构进行了方案优化设计。对比已有文献,结果表明:HWB中央机体结构非线性分析方法具有较好的变形分布预测能力;所提出的方案优化设计策略具有一定的工程应用价值。

基于多约束的中央机体结构优化设计

针对翼身融合高后置背撑发动机布局中央机体结构所面临的气动、噪声、振动等多学科设计约束,研究多学科优化设计的详细可实施的技术途径,解决多学科响应分析协调,多学科约束统一等问题,并完成基于多约束背撑发动机布局中央机体结构优化设计,给出兼顾结构-气动-噪声等耦合效应的中央机体结构优化设计方案。研究表明,提出的考虑多约束的优化设计方法有效,实现了翼身融合结构中央机体的优化,对工程设计有较大的指导意义。

基于自由变形方法的翼身融合布局民机翼型优化设计

针对翼身融合布局(Blended Wing Body,BWB)民机设计中参考翼型缺乏的问题,采用自由变形(Free Form Deformation,FFD)参数化方法,结合Kriging代理模型、遗传算法和松散式代理模型管理框架,构建了翼型气动优化设计平台。根据BWB布局民机中央机体和外翼不同的功能需求和总体约束,确定了中央机体和外翼翼型不同的优化目标和约束条件,针对某BWB布局民机开展了中央机体和外翼翼型气动优化设计。优化设计的中央机体翼型满足装载厚度、升阻比和升力设计要求,并提供翼身融合布局设计极为需要的俯仰抬头力矩,具有前加载和后卸载特征;外翼翼型在低头力矩不增加的前提下,激波强度减弱,气动效率提高。研究结果表明,本文建立的优化设计平台为BWB民机翼型设计提供了有效工具,并可适用于各种要求的翼型设计。

翼身融合布局民机非圆截面机身结构设计研究综述

翼身融合布局飞机具有大升阻比、低阻力、低噪声等优点,是未来民机最具潜力的发展方向之一;但由于特殊布局所采用的非圆截面增压机身,给翼身融合布局民机结构设计带来了巨大挑战。为了降低非圆截面机身承受增压载荷时产生的高弯曲应力、提高机身结构稳定性及承载效率,翼身融合民机机身结构设计先后经历了圆柱组合式多舱室机身、双蒙皮多舱室机身、带加强支撑的盒式机身、基于拉挤杆缝合高效一体化结构(Pultruded Rod Stitched Efficient Unitized Structure,PRSEUS)的盒式中央机体等发展阶段,其中最具承载优势和可实现性的是由美国国家航空航天局NASA和波音公司共同提出的基于PRSEUS盒式中央机体结构设计方案。PRSEUS结构不仅充分利用了复合材料一体化缝合、整体共固化、低成本等制造优势,而且具有抗拉伸/压缩、多路径止损/止裂、刚度和稳定性裕度大、承载效率高、易金属修补等优异的力学特性,已被拓展应用到了翼身融合民机机翼等结构设计中。本文以非圆截面机身结构设计为重点,回顾了翼身融合民机结构设计发展历程;从整机身结构、关键部件结构、整机优化设计等方面详细阐述了翼身融合民机结构设计的研究进展与发展现状,基于国外相关技术研究发展趋势,提出了中国翼身融合民机机身结构设计研究未来需要重点关注的方向。