● 摘要
在翼面初步设计的早期阶段，需要权衡各种设计概念，评估和筛选包含机翼外形和结构构型在内的多种构型设计方案。而目前的气动弹性分析模型和方法多采用具有成千上万自由度的高阶离散有限元模型，重复构建模型成本高，不适合其运用于构型方案选型中，不利于其与优化方法的结合使用。因此有必要发展合适的物理模型，开展初步设计早期阶段机翼构型气动弹性综合设计方法研究。本文针对机翼构型气动弹性综合设计问题，发展适合于翼面初步设计早期阶段的气动弹性分析模型，探讨翼面主结构构型气动弹性分析和设计方法，并对控制面配置问题作初步研究。主要包括以下内容：(1) 基于等效板模型发展了一种面向翼面构型设计的快速气动弹性分析方法。在相对厚度不是很大的情况下，翼面结构和板的力学行为相似，可以用一块或者多块板来等效翼面结构。在等效板建模过程中，使用简单多项式定义翼面的几何、结构和位移，利用人工弹簧近似边界条件，通过全局Ritz法得到结构刚度和质量矩阵的解析表达形式。通过特征值问题的求解得到翼面的固有频率和振型。将等效板模型应用于多种翼面的结构静/动力学和静/动气动弹性分析中。对模拟边界条件的弹簧的刚度选取进行了详细研究得到了刚度值的建议选取范围。通过与有限元计算结果比较发现，两者吻合较好，但等效板方法计算效率更高。等效板模型为翼面构型设计提供一种快速有效的分析模型。基于等效板单板模型，根据翼面的实际布局形式，采用多块二维板等效三维翼面结构，采用罚函数法保证翼面子部分界面上的位移协调性，通过能量守恒得到整个机翼结构的刚度和质量矩阵，从而发展出等效板多板模型，适用于飞翼式飞行器、客机带翼梢小翼的机翼和运输机的T形尾翼等复杂翼面构型。(2) 基于等效板模型和活塞理论发展了一种小展弦比超声速翼面颤振形状敏度的解析求解方法，考虑的形状设计变量主要包括机翼展弦比、梢根比、面积和前缘后掠角。气动弹性系统质量、阻尼和刚度矩阵关于形状设计变量的导数通过解析方法得到。利用Lancaster伴随法求得特征值敏度和颤振解析形状敏度。基于解析敏度，利用线性Taylor近似预测初始设计点附近颤振速度随着形状变量的变化情况。通过和重新分析比较发现：利用解析形状敏度的Taylor线性近似能准确预测初始设计点附近的颤振速度，但对于后掠角和机翼面积，适用的变化范围有限。利用颤振解析形状敏度，工程人员能在构型设计阶段在兼顾颤振特性的情况下进行合理的翼面形状选择。(3) 基于等效板模型和遗传算法，发展了一种能考虑气动弹性约束的机翼构型综合优化设计方法，主要考虑的结构构型参数包括机翼平面形状和梁/肋位置，并将其应用于一个飞翼式飞行器的构型设计中。采用等效板多板模型计算飞翼的结构动力学特性。采用面元法计算定常和非定常气动力。在考虑气动弹性约束，包括静气动弹性变形和颤振速度的情况下进行最小质量优化设计。结果表明：与尺寸优化相比，构型参数优化更加复杂，但减重潜力更大。当设计空间同时包括结构构型和尺寸参数时，本文方法同样适用，但进行两种参数同时优化，计算耗费巨大，不易找到优化参数组合。可以采用分级优化策略，先进行构型优化并在最优构型基础上进行尺寸优化，较快地找到较优的构型和尺寸参数组合。(4) 针对多控制面飞机的控制面布置和利用问题，发展了一种控制面机动载荷减缓效率评估方法。基于模态法和非定常气动力有理函数拟合方法推导了线性时不变气动伺服弹性状态空间模型。广义坐标中同时考虑了刚体和弹性模态。采用模态位移法计算动载荷。将控制面区域沿展向分成多个小控制面，评估不同位置控制面的机动载荷减缓效果。最后根据评估效果，各利用机翼内外翼段的一个控制面进行纵向机动载荷减缓，研究结果表明，为了减缓机动载荷，机翼内翼段控制面的有效偏转方向是向下，而外翼段控制面是向上偏转；载荷减缓率和控制面偏转角成正比，但偏转角过大会引起翼梢过载的剧烈振荡；相对于翼根控制面，翼梢控制面单位面积的载荷减缓效率更高；采用内外翼段控制面联合减缓方案不仅可以有效降低载荷峰值和载荷稳态值，还可以减缓过载和载荷振荡，有利于飞机的机动性和疲劳寿命。本文发展的机翼构型气动弹性分析和设计方法适用于一般机翼对象，为初步设计早期阶段的机翼主结构和控制面气动弹性特性的方案评估和构型优化设计提供一种有效手段。