● 摘要
现代飞机对于减轻结构重量和提高飞行性能的不断追求，使得气动弹性问题变得愈加突出，气动弹性效应已经成为影响飞机飞行性能和安全性等指标的重要因素。尤其对于大型民用客机、运输机以及高空长航时无人机，这类飞机一般采用大展弦比机翼，并且大量使用轻质复合材料，由此产生的气动弹性问题使传统飞机设计理念和方法面临很大挑战。对于大展弦比机翼飞机而言，在初步设计阶段进行气动弹性设计时，确定结构变形对气动力特性影响的首要问题是设计合理的机翼结构刚度分布，以满足气动弹性性能需求，也为后续设计提供重要依据，如果能够统筹各个学科的设计因素进行综合设计，将有利于提高飞机的总体性能。随着结构数据的不断更新和充实，单纯针对部件尺寸参数的优化设计可以有效地减轻结构质量，提高飞机的气动弹性性能，却无法保证初始结构布局的合理性，即结构布局是否有利于提高气动弹性性能是不确定的。因此，研究机翼结构布局对机翼刚度和气动弹性性能的影响趋势，不但可以对机翼主承力构件的布置提供重要建议，更可以为后续机翼详细设计阶段提供基准和指导。初步设计阶段大展弦比机翼受载发生大变形情况下，传统的气动弹性优化方法未考虑几何非线性对气动弹性响应的影响，造成优化结果无法满足真实飞行条件下性能指标要求。这是由于几何非线性气动弹性分析时，分析方法迭代过于复杂，与气动弹性优化技术不能较好结合，无法实现真正的考虑几何非线性效应的气动弹性优化设计，使得几何非线性气动弹性响应没有转化成约束条件参与优化设计，由此带来设计偏离真实工况，造成设计上的偏差。鉴于上述问题，本论文针对大展弦比机翼飞机这一特殊对象，在其初步设计阶段进行总体刚度设计、结构布局设计、部件尺寸设计等任务时，能够提供适用于各种载荷工况的气动弹性优化方法，并进行了实际设计应用。本论文主要包括以下内容：（1）提出两种大展弦比机翼总体刚度分布的气动弹性优化设计方法。大型飞机的设计研制对气动弹性设计提出了更高的要求，气动弹性力学应该作为一门主动设计学科深入到每一个设计环节。在初步设计阶段，机翼总体刚度设计是气动弹性设计的首要任务，也是后续结构设计的重要依据。采用传统方法设计机翼刚度效率较低，而且精度不高，因此，有必要将常用于详细设计阶段的气动弹性优化方法引入初步设计阶段，利用优化技术对大展弦比机翼总体刚度分布进行设计，为后续结构方案筛选和宏观结构布置、质量分布提供指导。（2）建立一种适用于初步设计阶段大展弦比机翼结构布局综合设计方法。飞机设计是一个不断细化和修改完善的过程，根据不同的数据信息获取情况，气动弹性设计考虑的学科耦合会有所不同和侧重，分析模型的建立和分析方法的选取也会有所区别。初步设计阶段根据不同地设计任务，建立相应分析方法，采用合适的优化设计技术，研究适用于初步设计阶段的基于气动弹性优化技术的大展弦比机翼结构布局设计方法，完成飞机初步设计阶段的气动弹性综合优化设计框架。（3）发展一种适用于初步设计阶段大展弦比机翼大变形情况下的气动弹性优化设计方法。大展弦比柔性机翼在受载结构变形较大的情况下，需要考虑结构的几何非线性效应对气动弹性设计的影响，因此将弹性力学几何非线性理论引入到气动弹性分析之中，建立几何非线性气动弹性分析流程。在此基础上，基于遗传算法，将几何非线性气动弹性分析方法和遗传算法融合，建立适用于初步设计阶段的大展弦比机翼几何非线性气动弹性优化设计方法，有效地避免结构大变形情况下线性气动弹性分析造成的设计偏差，获得较为高效的优化设计结果。本论文开展的研究工作具有工程背景广、涉及学科多、实用性强等特点，研究成果具有一定的工程意义和应用前景，在初步设计阶段能够为飞机气动弹性分析、气动弹性优化设计、总体设计和结构设计提供参考。