● 摘要
现代飞机设计是一个复杂的、多学科耦合的综合优化设计过程，在设计中追求更高的飞行性能和更小的结构重量，并且现代战争又给飞机设计提出了很多新的要求。现代大型运输机和长航时无人机为追求经济性能和续航能力广泛采用大展弦比机翼，大展弦比机翼的气动结构一体化设计问题成为了一个研究重点。为追求较高的气动升阻比，要尽量加大机翼的展弦比以减小诱导阻力，而为了降低结构重量就要减小机翼展长、减小梢根比，这使得气动和结构设计的矛盾在大展弦比机翼设计上显得尤为突出。并且机翼受载变形后的几何非线性使大展弦比机翼设计问题变得更加复杂。有鉴于此，本论文以大展弦比机翼为研究对象进行气动结构的多学科设计优化研究，通过对现有多学科设计优化方法的研究分析，提出一种新的气动结构多学科设计优化方法，以此方法进行大展弦比机翼的气动结构多学科设计优化，并对弹性变形对大展弦比机翼的气动性能影响进行详细的分析研究。本论文的主要研究内容如下：从大系统理论出发，借助设计结构矩阵，将飞行器多学科设计优化问题进行分类，同时将飞行器多学科设计优化方法进行归类，阐述各优化方法之间相互的演化过程。以基于响应面的并行子空间算法为基础，根据气动结构一体化设计的特点，在响应面构造上引入试验设计法，在系统级优化中引入Pareto遗传算法，并在子空间优化中引入子空间设计的概念，对算法进行必要的修改，提出适合于机翼气动结构多学科设计优化的基于Pareto遗传算法的并行子空间优化设计方法(Pareto Genetic Algorithm Concurrent Subspace Optimization Design，PGACSOD)；为使优化结果真实可信，选择精确的气动与结构计算分析方法进行气动与结构性能分析。同时提出分析模型参数化建模的思想，针对本文研究的大展弦比机翼分别给出气动和结构参数化建模的可行方法，利用动网格技术对两学科的分析模型进行参数化处理；利用PGACSOD算法进行大展弦比机翼的气动与结构多学科多目标优化设计，给出合理的优化结果；利用弱耦合法和精确的气动结构分析模型进行大展弦比机翼静气弹变形对机翼气动特性影响研究，分析了不同载荷状态下弹性变形对机翼纵横向气动性能的影响，并给出了弹性修正方法。本文提出的气动结构多学科设计优化方法已在某型长航时无人机总体设计过程中得到应用，并取得很好的效果。此优化方法不仅适用于大展弦比机翼，也可用来解决飞机设计领域的多数气动结构一体化设计问题。