针对无人机族结构设计的相关问题,提出了一种机身为通用模块、不同展长的机翼为专用模块的飞翼无人机结构设计方案。采用结构有限元方法分别对飞翼布局无人机族进行结构强度和刚度分析,使用基于PCL语言的MSC.Patran二次开发技术,实现结构优化程序的自动运行。采用二级优化方法实现通用模块和专用模块的并行运算,给出一种模块化飞翼布局无人机族的结构优化设计方法。此方法很好地发挥了模块化策略的优势,并使无人机性能损失变小。

支撑翼布局飞机的机翼展弦比较大,在机翼结构质量估算中应考虑颤振约束的影响。以单通道支撑翼布局客机为研究对象,基于结构有限元模型,应用结构优化方法,对比分析了不考虑颤振约束和考虑颤振约束对支撑翼布局机翼结构质量的影响。分析结果表明,考虑颤振约束后,主机翼的蒙皮厚度明显增加,整个机翼的质量增加了12.5%,颤振约束是影响支撑翼布局机翼质量的重要因素。

支撑翼布局飞行器因其特有的桁架支撑结构,有效解决了大展弦比飞行器结构质量过大的难题。以波音公司提出的支撑翼布局飞行器为研究对象,应用结构有限元分析与优化方法,对比分析了桁架结构连接形式、颤振约束对支撑翼结构布局的影响。分析结果表明,桁架以固接形式连接可比铰接形式质量轻39.7%;在固接形式下,考虑颤振约束后机翼质量增加了11.9%。由此表明结构形式确定后,颤振约束是决定机翼质量的重要因素,在此基础上构建了面向支撑翼布局的质量代理模型,可用于在概念设计阶段快速评估机翼质量。

支撑翼布局飞行器因其具有较大的展弦比和较小的耗油量,有望成为下一代绿色环保飞行器。应用MATLAB编程技术、结构有限元分析方法和OpenVSP开源软件,在参数化建模的基础上建立了适用于支撑翼布局飞行器的气动分析、质量估算、性能分析、操稳分析等分析模型,开发了一种面向支撑翼布局飞行器的总体参数分析程序,可用于在概念设计阶段确定其主要参数。以波音公司的支撑翼布局客机为基准,验证了该程序的合理性,并在此基础上进行了优化分析。结果表明,以起飞质量最小为优化目标时可采用展弦比较小的设计方案,以油耗最小为优化目标时可采用展弦比较大的设计方案。

机翼锯齿状后缘的气动外形设计增大了展弦比,进而提高了空气动力学效率,但同时也导致结构质量的增加。因此,本文提出了一种针对战斗机类λ机翼的气动/结构多学科设计优化方法,关键步骤包括机翼外形和结构参数化建模、气动分析模型自动生成与外形优化、结构有限元模型自动生成与结构布局/尺寸优化。在ISIGHT软件环境下集成气动、结构优化模块,利用基于代理模型的多级优化方法求解λ机翼气动/结构多目标优化问题。算例结果表明,本文提出的优化方法能够较好地兼顾了λ机翼的气动和结构性能,进而提高初步设计阶段的效率。

结合工程分析方法与快速数值计算方法,开发了一种面向飞行器概念设计阶段的直角全速域气动仿真工具。工具直接利用几何外形输出的文件格式,高度自动化生成流场计算需要网格。在流场计算方面:1)对于亚声速,采用基于自适应直角网格的有限体积法求解全速势方程;2)对于跨/超声速,采用基于自适应直角网格的有限体积法求解欧拉方程;3)对于高超声速,采用机翼牛顿撞击理论的工程面元法。上述3种方法均加入粘性修正。应用上述气动工具考察了一个通用高速飞行器在宽速域下的气动性能,并且将计算数据与高精度数值模拟方法的数据进行对比。相关对比结果表明,气动工具自动化程度高、求解精度良好,可作为高超飞行器设计阶段总体布局选型、气动外形优化的工具。

为评估多电系统带来的收益,研究了常规系统客机二次能源系统功率需求估算方法以及采用多电系统带来的影响。以某宽体客机总体设计方案为例,估算了两种系统的功率需求,将飞机二次能源系统集成到客机综合分析平台中,对比分析了两种系统飞机的燃油经济性。结果表明采用多电系统飞机的轮挡油耗比常规系统飞机降低了1.15%。