● 摘要
对于现代飞行器设计而言，减轻结构重量和提高飞行性能是两个最主要的追求，其中气动弹性问题越来越突出，对飞机的飞行性能和安全性等指标都会产生重要影响。大柔性飞行器的气动弹性研究是近年高空长航时无人机和大型运输机的设计需求。该类飞机在飞行过程中具有大变形的特征，尤其在阵风和机动过程中，静／动力学变形问题更为突出，气动载荷分布、动力学响应、颤振等与线性小变形假设情况下存在较大差异，因此结构大变形对气动弹性的影响必须予以考虑。近年来，飞机几何非线性特性气动弹性问题逐步受到关注，国内外的初步研究均表明，一方面，结构大变形造成机翼有效升力的变化，从而进一步改变了结构设计的载荷条件；另一方面，结构几何非线性因素在一定的结构变形程度下会显著降低飞行器的气动弹性临界稳定速度（可以达到10％以上），这就有可能突破传统工程颤振裕量要求，从而造成飞行器设计包线的失效。大变形对这类飞机带来的影响，给传统飞机设计理念和方法带来了巨大挑战，造成设计结果无法满足真实飞行条件下性能指标要求。这是由于进行几何非线性气动弹性分析时，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，所以使得设计偏离真实工况，造成设计上的偏差。
鉴于上述问题，本论文主要包括以下内容：
（1）考虑结构大变形情况下，将弹性力学几何非线性理论引入到大柔性飞行器的气动弹性力学分析当中，建立完整的几何非线性气动弹性分析方法框架。该方法主要包含两方面：结构变形刚度和曲面气动力的计算。结合优化设计，为了提高优化设计效率，分别针对静气动弹性的迭代过程和动气动弹性中的颤振求解进行有效简化。
（2）基于ISIGHT优化平台，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。在建立了几何非线性气动弹性分析方法的基础上，采用直接搜索法，将几何非线性气动弹性分析方法和ISIGHT平台融合，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。
（3）采用改进蚁群优化算法，通过决定复合材料铺层角度的最佳组合，使得复合材料矩形机翼的颤振速度最大。这种改进的蚁群算法结合了精英策略和排序方法。针对算例的气动弹性剪裁问题，采用统计学方法研究蚁群算法的有效性和鲁棒性，同时考虑信息素增加和挥发参数的最佳权重。为了摆脱对初始设计点的依赖，结合局部算法，采用组合优化策略，进行大展弦比机翼的几何非线性气动弹性优化设计，首先应用蚁群算法定位目标极值在设计空间中所处的区域，再应用直接搜索算法对该区域精确寻优，获得更佳精确的设计结果。