面向總體設計的大型客機氣動快速估算方法及軟件開發

曹君偉

摘要：大型飛機是國家飛機設計水平和制造技術的一個重要指標，大型客機和貨機所代表的大型飛機在軍事和經濟方面發揮著非常重要的作用。中國航運業必須發展，沒有大型飛機，中國軍事力量是無法提升的;與此同時，大型飛機涉及許多行業，大型飛機項目可能導致其他行業的發展，如材料、冶金和電子。中國應該集中精力發展自己的航空業盡管中國近年來在航空業取得了顯著成就，但在技術和市場競爭力方面仍與歐美存在一定差距。航空動力學特性分析是飛機開發過程中的一個非常重要的組成部分。計算空氣動力特性的不同方法各有特點。合理使用適合不同設計階段的計算方法，可以迅速獲得滿足設計階段需要的空氣動力特性，提高飛機設計效率，促進我國大型飛機的發展。在此基礎上，本文研究了大型客機空氣動力學快速估算方法和綜合設計軟件的開發，以供參考。

關鍵詞：面向總體設計;大型客機;氣動快速估算方法;軟件開發

引言

在現代大型客機設計中，發動機與機翼之間的相互干擾對評估和改善飛機氣動特性至關重要，動力效應不僅造成機翼升力損失、激波增強，還可能造成抬頭力矩增加、安定度減小。包括波音、空客等在內的國內外飛機設計單位在進行新型客機的研發過程中，均開展了大量的研究工作，其研究主要集中在發動機噴流對機翼的壓力分布干擾，阻力的影響等，對由發動機動力引起的俯仰力矩特性影響研究鮮見。計算流體力學（CFD）、風洞試驗和理論分析共同構成了飛行器氣動分析的三大手段。然而，由于發動機內部進氣、燃燒和噴氣等過程十分復雜，通過試驗手段開展發動機與機體之間干擾的研究成本較高，而且周期較長。隨著計算機計算能力的顯著提升和數值方法的快速發展，利用CFD模擬發動機進/排氣氣動干擾問題成為目前最有效手段之一。

1飛機設計流程

簡而言之，飛機設計過程是指設計者在具備足夠技術儲備的情況下制定符合設計要求的設計計劃，并在不斷改進和修改后形成最終計劃和設計符合要求的飛機的過程。在制造原型之前，飛機的設計通常包括三個階段，即概念設計、初步設計和詳細設計，視工作內容而定。（1）設計。根據飛機設計要求初步設計和制定一項或多項飛機設計計劃，確定外形布局和一般參數。這是一個從零到是的過程。（2）初步設計。其主要目的是完善和補充設計計劃，包括平面分析和參數優化，從而使設計計劃更加清晰和準確，并有助于制定全面的設計計劃。（3）詳細設計。主要目的是完善總體設計和完成詳細的結構設計，包括部件設計和零組件設計。從概念設計到初始設計，也稱為一般設計，這一階段是飛機設計的重要階段，即導入設計要求，支持飛機的整體分析技術，以及導出最優的整體解決方案。

2網格劃分方法

流體控制方程離散解的一個非常重要的部分是拆分求解區域網格，正確的設計和高質量的計算網格生成是計算流場值的前提條件。考慮到模型造型的復雜性以及生成結構網格所涉及的大量工作量，我們使用了非結構粘性網格來分割流場的計算區域。飛機表面被三角網格分割，在靠近機體壁表面的空間中生成立體的附著層網格，具有較高的拉伸比，以準確捕獲附著層的流動信息，并且附著層外部填充有四面體在流場變化很大或流體變化梯度很大的地方，如機翼前緣、機翼機身連接、機身連接、懸架和膠囊之間的連接處，曲面網格和空間物體網格均進行了正確的局部加密。這種非結構粘性網格方法可以分割流場的計算區域，同時確保復雜形狀的準確性和易處理性，以及速度和工作量的降低。

3軟件開發

主要功能層主要包含與空氣動力特性快速估算工具計算有關的主要模塊，分別確定飛行條件模塊、飛機外觀輸入模塊、基本計算模塊（即整個設備的基本特性和估算方法 空氣孔數據的比較分析及數據管理和接口模塊。根據飛機外形參數、飛行條件配置模塊輸入基地飛行條件、飛機外形輸入模塊以及在其他模塊接口中手動生成或讀取單個數據文件的參數，本軟件對所有部件的空氣動力特性進行快速計算，例如，在指定的條件下。由于軟件是分層設計的，因此所有功能模塊都是完全獨立的，每個模塊都可以單獨計算。此外，該軟件還可以對讀取的風洞試驗數據和氣動工程估算進行比較分析，以便向用戶清楚地表明現有模型的試驗數據與工程估算之間的差異。數據層主要包括理論數據庫、估計數據和吹料試驗數據。其中，理論數據庫中的理論和公式用于基礎功能層的相關計算;估計結果數據模塊將用戶界面輸入的數據轉換為中央功能層的輸入數據;您也可以將基礎功能層計算結果匯入界面，以形成圖形或產生相應的結果檔案，以便于檢視計算結果。吹料試驗數據庫載有吹料試驗的結果，用于與基本功能模塊計算的估計數進行比較分析。

4氣動數據庫的實現

航空數據庫是一般航空數據庫中最重要的組成部分。飛機設計需要大量的實驗數據和CFD計算。這些文件包括數字數據、曲線、圖像、照片、音頻和視頻文件等。有時很難保留和詢問他們。因此，有效管理這些數據是一個緊迫問題，首先是因為獲取氣動數據是一個更復雜的過程。當前的氣動軟件分為基于線性方程（AVL）的氣動軟件、基于工程算法（DATCOM）的氣動軟件、基于Euler方程（Cart3d）的氣動軟件和基于N-S方程（Fluent）的氣動軟件。在本文介紹的氣動數據庫中，使用這些軟件計算出了一個單獨的計算示例，并將其放置在數據庫中進行管理。第二，輪胎數據的有效管理取決于輪胎數據庫中可用的數據類型的多樣性，無論是普通的數字數據還是曲線、圖像等數據類型。

5模塊優化

客機總體參數優化是基于多學科綜合分析模型。在整體設計階段，確定整體參數通常需要建立合理的最佳化模型，選擇適當的最佳化演算法，然后使用多個版序達成最終解決方案。本章的主要內容包括：（1）基于綜合評估模型的客機總體參數優化建模，包括傳統優化模型和無約束優化模型;（2）提出一種可實現并行計算的新的多目標優化算法（子集仿真多目標優化算法），大大縮短了優化時間;（3）提出客機總體參數優化的可視化技術，實現參數優化的快速建模、過程觀測和后處理結果。

5.1優化模型

由于通過將曲面基本體程序應用于氣動模塊來分析氣動特性需要一定的計算時間，因此需要優化算法來優化設計以提高計算效率。在優化模型中，應用子部件仿真優化算法以優化參數。優化算法的基本思想是優化問題在極端條件下可能變成低概率問題。因此，結構可靠性研究中常用的低故障概率方法（子部件仿真方法）可以引入到優化問題中。此方法可提高it效率并支持并行計算。

5.2單目標優化結果

中心翼的長度和外翼的外觀都小于最初的解決方案，有助于減少機體的結構重量;優化方案艙的高度也降低了，從而降低了中心翼的相對厚度，有助于提高空氣動力效率;發動機的最大起飛推力也有所降低，一方面有利于減少發動機重量，第二階段故障升級梯度和初始巡航高度升級率也有所降低，但仍在約束范圍內。

結束語

鑒于上述情況，本研究的重點是分析、評估和優化全球大規模客運方案。在考慮到總體設計缺乏分析方法、單一評價標準和優化所需時間的情況下，已初步完成了對整個客運一體化方案的分析、評價和優化然而，仍有許多工作要做和改進，包括：（1）在多學科分析模式框架內深入研究學科分析方法，更新現有算法，開發新的模型，以便更快地進行計算并提高分析的準確性。（2）融合型客機的穩定特性比較復雜，本文的優化模型更好地考慮了飛機的飛行性能，并對優化方案的穩定特性進行了優化后評價。將穩定約束加入至最佳化需要進一步研究。此外，失穩分析模型使用精度較低的渦旋建模工具，您可以考慮使用高級面基本體或Euler方法替換現有模型，以進一步提高失穩分析的精度。（3）目前的綜合評估模式，主要從設計者的角度考慮全球方案指標。隨后，可將乘客和操作人員指標納入評估系統，并可建立一個涵蓋需求、設計和操作的綜合評估模式，對客機的整個生命周期進行全面評估。（4）擴大現有綜合分析模型的范圍，如噪聲預測、嵌入式系統分析、先進材料應用等，取決于新技術的應用。

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