面向总体设计的大型客机气动快速估算方法及软件开发

曹君伟

摘要：大型飞机是国家飞机设计水平和制造技术的一个重要指标，大型客机和货机所代表的大型飞机在军事和经济方面发挥着非常重要的作用。中国航运业必须发展，没有大型飞机，中国军事力量是无法提升的;与此同时，大型飞机涉及许多行业，大型飞机项目可能导致其他行业的发展，如材料、冶金和电子。中国应该集中精力发展自己的航空业尽管中国近年来在航空业取得了显着成就，但在技术和市场竞争力方面仍与欧美存在一定差距。航空动力学特性分析是飞机开发过程中的一个非常重要的组成部分。计算空气动力特性的不同方法各有特点。合理使用适合不同设计阶段的计算方法，可以迅速获得满足设计阶段需要的空气动力特性，提高飞机设计效率，促进我国大型飞机的发展。在此基础上，本文研究了大型客机空气动力学快速估算方法和综合设计软件的开发，以供参考。

关键词：面向总体设计;大型客机;气动快速估算方法;软件开发

引言

在现代大型客机设计中，发动机与机翼之间的相互干扰对评估和改善飞机气动特性至关重要，动力效应不仅造成机翼升力损失、激波增强，还可能造成抬头力矩增加、安定度减小。包括波音、空客等在内的国内外飞机设计单位在进行新型客机的研发过程中，均开展了大量的研究工作，其研究主要集中在发动机喷流对机翼的压力分布干扰，阻力的影響等，对由发动机动力引起的俯仰力矩特性影响研究鲜见。计算流体力学（CFD）、风洞试验和理论分析共同构成了飞行器气动分析的三大手段。然而，由于发动机内部进气、燃烧和喷气等过程十分复杂，通过试验手段开展发动机与机体之间干扰的研究成本较高，而且周期较长。随着计算机计算能力的显著提升和数值方法的快速发展，利用CFD模拟发动机进/排气气动干扰问题成为目前最有效手段之一。

1飞机设计流程

简而言之，飞机设计过程是指设计者在具备足够技术储备的情况下制定符合设计要求的设计计划，并在不断改进和修改后形成最终计划和设计符合要求的飞机的过程。在制造原型之前，飞机的设计通常包括三个阶段，即概念设计、初步设计和详细设计，视工作内容而定。（1）设计。根据飞机设计要求初步设计和制定一项或多项飞机设计计划，确定外形布局和一般参数。这是一个从零到是的过程。（2）初步设计。其主要目的是完善和补充设计计划，包括平面分析和参数优化，从而使设计计划更加清晰和准确，并有助于制定全面的设计计划。（3）详细设计。主要目的是完善总体设计和完成详细的结构设计，包括部件设计和零组件设计。从概念设计到初始设计，也称为一般设计，这一阶段是飞机设计的重要阶段，即导入设计要求，支持飞机的整体分析技术，以及导出最优的整体解决方案。

2网格划分方法

流体控制方程离散解的一个非常重要的部分是拆分求解区域网格，正确的设计和高质量的计算网格生成是计算流场值的前提条件。考虑到模型造型的复杂性以及生成结构网格所涉及的大量工作量，我们使用了非结构粘性网格来分割流场的计算区域。飞机表面被三角网格分割，在靠近机体壁表面的空间中生成立体的附着层网格，具有较高的拉伸比，以准确捕获附着层的流动信息，并且附着层外部填充有四面体在流场变化很大或流体变化梯度很大的地方，如机翼前缘、机翼机身连接、机身连接、悬架和胶囊之间的连接处，曲面网格和空间物体网格均进行了正确的局部加密。这种非结构粘性网格方法可以分割流场的计算区域，同时确保复杂形状的准确性和易处理性，以及速度和工作量的降低。

3软件开发

主要功能层主要包含与空气动力特性快速估算工具计算有关的主要模块，分别确定飞行条件模块、飞机外观输入模块、基本计算模块（即整个设备的基本特性和估算方法 空气孔数据的比较分析及数据管理和接口模块。根据飞机外形参数、飞行条件配置模块输入基地飞行条件、飞机外形输入模块以及在其他模块接口中手动生成或读取单个数据文件的参数，本软件对所有部件的空气动力特性进行快速计算，例如，在指定的条件下。由于软件是分层设计的，因此所有功能模块都是完全独立的，每个模块都可以单独计算。此外，该软件还可以对读取的风洞试验数据和气动工程估算进行比较分析，以便向用户清楚地表明现有模型的试验数据与工程估算之间的差异。数据层主要包括理论数据库、估计数据和吹料试验数据。其中，理论数据库中的理论和公式用于基础功能层的相关计算;估计结果数据模块将用户界面输入的数据转换为中央功能层的输入数据;您也可以将基础功能层计算结果汇入界面，以形成图形或产生相应的结果档案，以便于检视计算结果。吹料试验数据库载有吹料试验的结果，用于与基本功能模块计算的估计数进行比较分析。

4气动数据库的实现

航空数据库是一般航空数据库中最重要的组成部分。飞机设计需要大量的实验数据和CFD计算。这些文件包括数字数据、曲线、图像、照片、音频和视频文件等。有时很难保留和询问他们。因此，有效管理这些数据是一个紧迫问题，首先是因为获取气动数据是一个更复杂的过程。当前的气动软件分为基于线性方程（AVL）的气动软件、基于工程算法（DATCOM）的气动软件、基于Euler方程（Cart3d）的气动软件和基于N-S方程（Fluent）的气动软件。在本文介绍的气动数据库中，使用这些软件计算出了一个单独的计算示例，并将其放置在数据库中进行管理。第二，轮胎数据的有效管理取决于轮胎数据库中可用的数据类型的多样性，无论是普通的数字数据还是曲线、图像等数据类型。

5模块优化

客机总体参数优化是基于多学科综合分析模型。在整体设计阶段，确定整体参数通常需要建立合理的最佳化模型，选择适当的最佳化演算法，然后使用多个版序达成最终解决方案。本章的主要内容包括：（1）基于综合评估模型的客机总体参数优化建模，包括传统优化模型和无约束优化模型;（2）提出一种可实现并行计算的新的多目标优化算法（子集仿真多目标优化算法），大大缩短了优化时间;（3）提出客机总体参数优化的可视化技术，实现参数优化的快速建模、过程观测和后处理结果。

5.1优化模型

由于通过将曲面基本体程序应用于气动模块来分析气动特性需要一定的计算时间，因此需要优化算法来優化设计以提高计算效率。在优化模型中，应用子部件仿真优化算法以优化参数。优化算法的基本思想是优化问题在极端条件下可能变成低概率问题。因此，结构可靠性研究中常用的低故障概率方法（子部件仿真方法）可以引入到优化问题中。此方法可提高it效率并支持并行计算。

5.2单目标优化结果

中心翼的长度和外翼的外观都小于最初的解决方案，有助于减少机体的结构重量;优化方案舱的高度也降低了，从而降低了中心翼的相对厚度，有助于提高空气动力效率;发动机的最大起飞推力也有所降低，一方面有利于减少发动机重量，第二阶段故障升级梯度和初始巡航高度升级率也有所降低，但仍在约束范围内。

结束语

鉴于上述情况，本研究的重点是分析、评估和优化全球大规模客运方案。在考虑到总体设计缺乏分析方法、单一评价标准和优化所需时间的情况下，已初步完成了对整个客运一体化方案的分析、评价和优化然而，仍有许多工作要做和改进，包括：（1）在多学科分析模式框架内深入研究学科分析方法，更新现有算法，开发新的模型，以便更快地进行计算并提高分析的准确性。（2）融合型客机的稳定特性比较复杂，本文的优化模型更好地考虑了飞机的飞行性能，并对优化方案的稳定特性进行了优化后评价。将稳定约束加入至最佳化需要进一步研究。此外，失稳分析模型使用精度较低的涡旋建模工具，您可以考虑使用高级面基本体或Euler方法替换现有模型，以进一步提高失稳分析的精度。（3）目前的综合评估模式，主要从设计者的角度考虑全球方案指标。随后，可将乘客和操作人员指标纳入评估系统，并可建立一个涵盖需求、设计和操作的综合评估模式，对客机的整个生命周期进行全面评估。（4）扩大现有综合分析模型的范围，如噪声预测、嵌入式系统分析、先进材料应用等，取决于新技术的应用。

参考文献：

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