题目：弹性飞机机动飞行与阵风载荷分析及优化研究

飞机的飞行载荷是飞机结构设计、强度计算的重要依据，对飞机的飞行安全和飞行性能也有着重要的影响。随着飞机设计的不断发展，飞机性能要求的不断提高和新型材料的逐渐应用，飞机结构的柔性不断增大，气动弹性现象日益突出，结构与气动之间的耦合也越来越强烈，将飞机当作刚体的飞行载荷分析方法已不再适用于飞机的结构设计，弹性变形对飞行载荷的大小和分布已不可忽略，无论是静载荷还是动载荷都必须考虑结构弹性的影响。与此同时，载荷预测的准确性要求也不断提高，这使得一些传统的飞行载荷分析方法和飞机的结构优化设计面临着挑战。有鉴于此，本文结合国内外的研究现状和工程应用需求，对弹性飞机的机动飞行载荷、阵风载荷分析的分析方法进行了研究，并探讨了结合阵风载荷和机动飞行载荷的结构优化设计方法。本论文主要开展以下研究工作：(1) 建立一种将非线性气动力引入机动飞行过程模拟并进行机动飞行载荷分析的方法。通过对非线性刚体气动力分布进行积分求和，给出飞行动力学方程中的气动力和气动力矩。在机动飞行过程模拟时，根据操纵面偏度以及气动参数，使用插值方法获取对应状态的气动力和气动力矩。该方法主要将非线性气动力的机动载荷分析与机动飞行过程模拟结合起来，使用相同的非线性气动力数据，使得机动飞行载荷与机动飞行过程相对应，提高机动飞行载荷的准确性。(2) 建立基于非线性刚体气动力的静气动弹性响应分析方法。基于非线性刚体气动力建立了静气动弹性响应方程。方程中的非线性刚体气动力按照迎角、侧滑角、操纵面偏度等参数的组合，以离散形式给出，这些气动力通过插值方法与弹性结构耦合。在给定的飞行状态下对非线性刚体气动力进行弹性修正，并经过反复迭代获得静气动弹性响应方程的解，给出全机配平载荷和配平变量，以此研究指定状态下的机动飞行载荷。该方法旨在考虑飞机的复杂外形以及马赫数等因素引起的气动力非线性特性，突破使用线性刚体气动力的静气动弹性响应分析方法的限制。(3) 建立弹性飞机的二维连续紊流分析方法。应用展向相关片条来同时考虑阵风速度沿飞机展向和飞行方向的变化，以此引入相关片条上的阵风交叉功率谱，并使用线性系统的随机响应理论，尝试建立弹性飞机的二维连续紊流分析方法，系统研究二维连续紊流响应的特性。研究结果表明：随着机翼展长增大以及阵风尺度减小，二维连续紊流响应与一维连续紊流响应的差别增大；飞行控制系统对两者的影响具有相同的趋势，但对二维紊流的减缓作用减弱。(4) 建立了针对基于非线性刚体气动力的飞行载荷分析的气动弹性结构优化方法。非线性气动力数据通常是离散的，而且不同部件上的气动压力的大小与分布随迎角、侧滑角等参数的变化趋势不一致，不能用统一的函数关系式来表达，因此，一般的结构优化算法，如基于敏度的优化方法不再适用此类优化问题。本文引入不需要敏度信息而且能够获得全局最优解的遗传优化算法，对飞机结构进行优化设计研究。结果表明：能够针对在非线性气动力作用下的弹性飞机进行气动弹性优化，在较少的资源耗费下可以获得满足设计要求的结构布局，解决了敏度优化算法不适用的优化问题，具有一定的工程实用性。(5) 提出了适用于飞机结构设计和优化的具有外载荷形式的相关阵风载荷分布的分析方法，并同时引入机动飞行载荷，进行飞机的结构优化研究。使用载荷叠加法获得具有外载荷形式的阵风载荷增量，以等概率的原则和设计包线准则，建立具有外载荷形式的相关阵风载荷分布的分析方法，并结合基于非线性刚体气动力的机动飞行载荷分析方法，应用遗传优化算法，实现了在阵风载荷和机动飞行载荷作用下的结构优化问题，研究了使用相关阵风载荷和各处最大阵风载荷对优化重量的影响。结果表明：与各处最大阵风载荷情况相比，相关阵风载荷情况减少了结构重量。