题目：飞机气动弹性主动优化设计方法

现代飞机设计是一个复杂的、多个系统耦合的综合设计过程，在设计中追求更高的飞行性能和更小的结构重量。这使得结构、气动和控制等众多学科之间的耦合不断趋于复杂，各学科之间的相互矛盾日益明显，由此带来的气动弹性问题越来越突出，尤其对于民用客机、运输机和无人机。因为这类飞机一般采用大展弦比机翼、细长机身、多个操纵面的布局形式，再加上复杂控制系统和新型复合材料的应用，由此产生的气动弹性问题使传统的飞机设计理念和方法面临很大挑战。气动弹性作为一门设计学科应在设计过程中发挥关键性作用。有鉴于此，本论文旨在突出气动弹性在飞机设计过程中的重要地位，以大型飞机等大展弦比机翼常规飞机（包括民机、运输机和无人机）为研究对象，通过对不同设计阶段气动弹性任务的分析，提出飞机气动弹性主动优化设计概念，建立适用于飞机不同设计阶段的气动弹性主动优化设计方法，进行实际设计应用。本论文主要包括以下内容：首先，针对大型飞机设计中的一系列气动弹性问题和设计困难，本论文提出了气动弹性主动优化设计概念，建立了适用于飞机设计不同阶段的气动弹性主动优化设计方法。通过对气动弹性在飞机设计过程中地位和作用的详细阐述，分析了不同阶段气动弹性设计的特点，应用多学科优化设计技术，分别建立了：1）适用于概念设计阶段的气动弹性参数优化设计方法，该方法能够通过参数设计得到最优飞机气动布局和结构刚度初始分布；2）适用于初步阶段的气动弹性综合优化设计方法，该方法能够考虑翼面形状和结构参数的综合优化，合理分布结构刚度，提高气动效率；3）适用于详细阶段的气动弹性鲁棒优化设计方法，该方法能够在考虑不同不确定性因素和要求下，使设计性能最优并满足鲁棒性要求。本文将这三个具有各自特点的气动弹性主动优化设计方法应用于飞机算例设计，验证了方法的适用性和先进性。其次，针对大型飞机研制的需要，本文建立了考虑附加非定常气动力的T型尾翼颤振工程分析方法，包括其特殊的非定常气动力分析和颤振求解方法。通过颤振模型的低速风洞试验结果与分析结果的对比，验证了分析方法。研究了定常气动力和平尾上反角对T型尾翼颤振特性的影响，并得出结论：T型尾翼垂尾弯扭耦合形式的颤振速度随攻角增加而降低，采用平尾下反能够有效的提高其颤振速度。在分析基础上，应用气动弹性优化设计方法进行颤振特性设计，取得了很好的效果。本文还研究了不确定性因素对气动弹性性能的影响，建立了满足不确定性变化和鲁棒性设计要求的复合材料气动弹性鲁棒优化设计方法。以复合材料气动弹性剪裁为研究对象，考虑优化设计中目标函数和约束函数受工艺误差和环境影响带来的不确定性影响，通过对铺层厚度和铺层角度的合理设计，达到提高气动弹性性能，保证鲁棒性要求的目的。通过对大展弦比复合材料机翼的实际应用，减轻了结构质量，保证了性能指标，检验了方法的有效性。根据不确定性参数变化和不同的鲁棒性设计要求，该方法均能寻找到满足设计要求的最优方案，说明了方法先进性。另外，根据遗传算法和敏度优化算法的特点，本文在飞机设计的不同阶段，将两种方法单独或混合应用，有效提高了设计效率，并寻找到性能最优的设计结果。