气动外形优化中的分块类别形状函数法研究

介绍类别形状函数(CST)方法的三维实现,分析其数学性质,提出分块CST参数化方法,保留CST方法的特性,实现了分块曲面之间的光滑连接。在确保曲面描述精度的情况下,对于形状复杂度不同的曲面,分块CST方法可以有效地减少参数个数;对于类别形状性质不同的曲面,也可以实现曲面的整体参数化建模。基于分块CST参数化方法、遗传算法和气动力快速计算方法,对类乘波翼身组合飞行器进行了优化设计,优化后气动性能改善明显。设计结果表明分块CST方法设计变量少、表达复杂外形能力强,有效地扩展了CST方法的应用范围。

使用类别形状函数的多目标气动外形优化设计

在飞行器的气动外形优化设计中,参数化方法和优化算法具有十分重要的作用,对优化的计算时间设计空间的数学特性有着深刻的影响.类别形状函数(class and shape transformation,CST)方法是一种简洁高效的参数化方法,但对于复杂曲面很难使用统一的CST方法进行拟合.文章首先介绍了CST方法的三维实现,分析了其数学性质,提出了分块CST参数化方法,保留CST方法的特性,实现了分块曲面之间的光滑连接.针对气动外形优化设计的复杂情况,需要根据具体的飞行任务提出设计目标,并处理不同目标的矛盾问题.其次采用Pareto策略自动寻找最优方案集,并基于分块CST参数化方法遗传算法和气动力快速计算方法,对类乘波翼身组合飞行器进行了优化设计,并改变原有问题的设定条件优化得到了全新外形.研究结果表明分块CST方法参数少,精度高,Pareto策略处理多目标准确有效,是气动外形优化设计中非常有用的工具.

动力短舱多点气动优化设计

跨声速发动机短舱的设计过程十分复杂,其设计往往需要在相互矛盾的设计要求中进行权衡。本文针对带动力短舱多点气动设计问题,采用类别形状函数变换法(CST)进行几何外形参数化,结合Kriging代理模型、Pareto遗传算法和松散式代理模型管理框架,构建了动力短舱多点优化设计平台。在巡航状态,优化目标是降低短舱外表面最大马赫数使短舱阻力减小,提高外流性能;在最大推力状态,优化目标是降低进气道最大马赫数使进气品质提升,提高内流性能。与初始短舱相比,优化设计结果在两个设计点性能上均有所提高,最大马赫数在巡航状态最多降低5%,而在最大推力状态最多降低10%。参数影响规律表明,短舱头部参数对外流和内流性能影响较大,且影响规律不同,应作为短舱综合优化设计的主要参数,并采用不同的优化设计策略。Pareto前沿阵面可以给出满足不同工程设计要求的最优方案。研究结果表明,本文建立的优化设计平台为动力短舱设计提供了有效工具,优化设计结果具有工程参考价值。

小型无人机翼型优化设计

采用类别形状函数变换(CST)方法对翼型参数化描述;利用Fluent软件,进行翼型升力系数和阻力系数的气动计算;以升阻比最大为优化目标,通过拉丁超立方设计生成样本点,建立了径向基神经网络(RBF)代理模型;使用粒子群优化算法(PSO),在Isight平台上,实现对Clark Y翼型优化的整个过程。优化翼型升阻比比原始翼型提高了约10%,表明此种方法是可行的,可用于小型无人机设计的工程中。

曲率连续的非轴对称短舱气动型面参数化设计方法研究

为了进一步提高短舱内外流的气动性能,基于类别形状函数方法建立了曲率连续的非轴对称短舱气动型面参数化设计方法。为评价所建立的短舱气动型面设计方法的适用性,从曲率半径分布、关键工况下的流动特性和气动性能三个方面对使用所建立的方法和基于圆锥曲线方法设计的超大涵道比短舱进行了对比研究。结果表明:与基于圆锥曲线方法设计的短舱相比,所建立的方法设计的短舱不存在轴向曲率半径波动。由于消除了曲率波动引起的短舱壁面附近局部过度加速形成的高速低压区,在马赫数为0.8的巡航条件下外罩壁面局部阻力降低了4.5%;在马赫数为0.82的飞行工况下,外罩壁面局部阻力降低了5.5%。进气道气动型面设计方法的改进,使得大攻角爬升条件下进气道总压恢复系数提高了0.41%,稳态周向总压畸变指数减小了8.82%。

基于三维CST建模方法的两层气动外形优化策略

针对复杂构型飞行器气动外形优化的几何描述和计算效率问题,提出了一种基于通用三维类别/形状函数变换参数化方法的两层设计空间气动外形优化策略。采用B样条函数代替Bernstein多项式进行展开并引入侧向轮廓描述函数,将原二维类别/形状函数向三维扩展,基于部件组合设计思想,建立了三维飞行器几何外形的完整描述形式。结合类别/形状函数和B样条函数的参数化特点,引入设计空间分层优化思想,将设计参数划分为全局尺寸参数和局部调整参数,在减少优化时间的同时尽可能地保持原设计空间复杂度。采用X-33高超声速飞行器作为建模和优化算例,结果表明,三维CST方法能以较少设计参数表达复杂外形,具有基础参数少,设计复杂度可调,外形表达能力强,参数化过程稳定的优势;两层气动外形优化策略具有良好的设计空间搜索能力,并可显著降低计算消耗。

CSRT与CST气动外形参数化方法对比

类别形状修正函数变换(CSRT)方法是在类别形状函数变换(CST)方法的基础上添加修正函数以克服其不具备局部性的缺点发展而来的新型参数化方法。通过考察参数化过程中翼型的表示误差和线性系统条件数,对CSRT和CST参数化方法的表示精度和数值单值性进行了对比。使用基于以上两种参数化方法的远场组元(FCE)激波阻力优化算法对超声速翼身组合体进行了零升激波阻力优化,结果对比得到:基于CSRT方法的两级优化具有更好的优化效果,激波阻力系数降低了34.7%。研究表明:CSRT方法需要比CST方法更多的参数数量以达到相似的精度,随参数数量的增长,CSRT参数化过程的病态化程度远低于CST方法;CSRT参数化方法可以结合适当的优化算法进行气动外形二级优化,其效果优于使用相同参数数量的CST参数化方法所进行的单级整体优化。

改进CST方法在翼型优化设计中的应用

形状类别函数变换(Class-Shape Transformation,CST)方法是近年来发展起来的一种新型气动外形参数化方法,该方法具有良好的鲁棒性,且涉及参数少、精度高,结果简单直观等特点,被广泛应用于翼型设计研究中。文章结合某小型无人机设计的工程实践,探讨了CST方法在小型无人机翼型设计中的应用,在借鉴他人研究成果的基础上,决定采用Bernstein多项式构建形状函数,分析了Bernstein多项式阶数对CST方法拟合精度的影响。仿真结果表明,当BPO>4时,拟合精度能够达到满意的要求,可用于该型无人机翼型的设计与优化。

基于CST的三维机翼气动结构解析参数化建模与优化方法

针对概念设计阶段机翼设计需要大范围探索设计空间并进行气动结构一体化设计的需求,提出一种基于类别/形状变换函数(class-shape function transformation,CST)的三维机翼气动结构解析参数化建模与优化方法。在二维CST基础上,推导三维CST参数化几何模型的解析函数形式,通过网格自适应离散与结构特征提取技术建立了三维机翼的气动和结构解析参数化模型,能够同时支持包括机翼几何构型、结构布局、结构尺寸、材料属性等参数的气动结构一体化快速建模与优化求解,具备几何模型大范围参数化以及气动、结构模型的建模过程自动化能力。采用该方法对某大展弦比机翼开展气动结构一体化优化设计,对比固定结构布局优化方案,优化结果梁由2个减至1个,翼肋由20个减至15个,质量相比减少26.1%。

CST气动外形参数化方法研究

类别形状函数变换(CST)方法是通过类别函数和形状函数来表示几何外形的新型气动外形参数化方法。通过考察参数化过程线性系统的条件数以及对翼型的表示误差,研究了Bernstein多项式阶数(BPO)对CST方法单值性和精度的影响,并将CST方法与B样条法、Hicks-Henne法和参数化翼型(PARSEC)法的参数数量和表示精度进行了对比。使用基于CST参数化方法的远场组元(FCE)激波阻力优化方法对超声速机翼进行外形优化,优化后的机翼其激波阻力降低达61%。研究结果表明:CST方法具有参数少,精度高的优点;为保证表示精度,同时避免病态参数化过程,应使用4阶以上、10阶以下的Bernstein多项式定义形状函数。

超声速翼身组合体激波阻力优化的EFCE算法

超声速飞行器的横截面积分布对其激波阻力的影响十分显著,合理的机翼和机身横截面积分布可以显著降低其激波阻力。使用类别形状函数变换(CST)方法对机身进行基于横截面积分解的CST参数化外形表示,在此基础上提出了扩展的远场组元(EFCE)超声速翼身组合体激波阻力优化算法,并使用该方法对超声速客机翼身组合体进行外形优化,使其激波阻力系数降低了39%。研究结果表明:由于只进行一个方向上的面积分解,机身CST参数化所使用的参数数量和相应优化过程的计算量比机翼大幅降低;经过EFCE激波阻力优化的机身具有较为明显的面积率修形"蜂腰"特征。

基于CST方法的高空低雷诺数吸附式叶型耦合优化设计

研究了一种基于类别形状函数变换(CST)方法的吸附式叶型优化设计方法,该方法可以在高空低雷诺数条件下对叶型和抽吸方案耦合优化.结果表明:优化之后在20km高空低雷诺数条件下总压损失降低了65%,静压升提高了0.02,气动性能得到较大提升.而且由于优化过程中罚函数的引入使得优化后吸附式叶型在地面条件下性能也有所提高.对于高空低雷诺数条件下吸附式叶型在抽吸位置之前适当的增加叶型负荷,再通过抽吸来控制附面层,效果最优.并且最佳抽吸位置位于层流分离泡作用区域内.在层流分离泡作用区域内抽吸可以完全消除层流分离泡对叶型性能的影响,并且可以较好控制附面层位移厚度和动量厚度的增加,有效地减小附面层内的动量损失.

基于CST-GAN的翼型参数化方法

翼型参数化方法对于翼型制造、气动和隐身等的优化设计具有非常重要的作用,为进一步提高参数化方法的表示能力,避免在优化过程中产生奇异外形进而提升翼型优化设计效率,结合外形控制能力更加灵活的类别形状函数变换方法(CST)及能够学习数据潜在分布的生成对抗网络模型(GAN),基于现有翼型数据库构建了一种新型翼型参数化方法:CST-GAN。通过考察生成翼型的几何质量及其表示误差,研究设计维度对CST-GAN翼型参数化的影响,并与Bezier、B样条及主成分分析(PCA)方法的表示精度进行了对比,最后基于该方法开展翼型优化设计。结果表明,该方法可以生成光滑、有效的几何外形,并能实现对翼型较为精确的描述。与其他几种常用参数化方法相比,CST-GAN方法具有较快的优化收敛速度和较好的优化效果,有助于改善优化效率,节约计算成本。此外,该方法鲁棒性强、易于实现,有拓展至三维机翼及整机的参数化建模并进行气动优化设计的应用潜力。

基于数值计算方法的翼型参数化、建模与优化研究（英文）

目的:1.比较并改善翼型参数化方法,获得设计变量少、拟合精度高的参数化方法;2.在参数化的基础上利用数值模拟的方法获取翼型流场参数,优化并获得特定条件下升阻比最大的翼型。创新点:1.通过与多项式拟合方法的对比证明了类别/形状函数转换(CST)法在翼型拟合方面的优越性,并通过调整控制点分布,在不增加设计变量的基础上改善了CST方法;2.通过建立响应面模型,利用多岛遗传算法与非线性序列二次规划法相结合的方式获得了更好的翼型优化效果。方法:1.利用修饰后的CST法对翼型进行参数化拟合与设计,并通过与二项式拟合法比较来验证其优越性;2.通过数值方法对翼型周围流场进行计算并与实验结果对比,获得精确计算气动参数的仿真条件;3.通过拉丁超立方采样获得设计变量,建立设计变量与翼型升阻比之间的响应面模型,通过多岛遗传算法与非线性序列二次规划法的结合和优化,得到一定条件下升阻比最大的翼型。结论:1.CST法是一种优秀的参数化方法,本文的优化改善了形状函数控制点选取法则,使其对翼型头部和尾部的描述更加精确;与多项式相比,CST法可以通过更少的设计变量得到更高的拟合精度。2.基于多岛遗传算法的非线性序列二次规划法在本文中用以优化翼型使其具有更高升阻比。优化前后翼型的比较显示,两种优化方法的结合可以得到比单独使用各优化方法更好的结果。