[发明专利]联结翼布局飞机气动载荷分配与结构变形协调设计方法

说明书

本发明提供了一种联结翼布局飞机气动载荷分配与结构变形协调优化设计方法。以前后翼的气动弦长、攻角分布函数系数，及主梁结构的外径和壁厚分布函数系数作为设计变量，结合气动和结构性能快速评估方法，构建联结翼布局飞机气动结构优化设计方法。本发明中不仅兼顾联结翼布局飞机气动和结构一体化设计的优势，且设计变量较少，可大幅度减少设计周期。本发明具有较强的适用性，不仅适用于联结翼布局飞机气动结构设计，还适用于常规飞机气动结构设计。

技术领域

本发明属于飞行器结构设计方法领域，更具体地，涉及一种联结翼布局飞机气动载荷分配与结构变形协调设计方法。

背景技术

从气动角度看，联结翼布局飞机因具有较大的升力、较小的阻力的优势，为联结翼布局飞机带来了优越的升阻比特性。从结构角度看，联结翼布局飞机相互连接的前后翼形成一个复杂的过约束超静定系统。从内力分布角度，前翼与后翼都可以看作外侧有支撑的悬臂梁结构体系。支撑作用使联接翼翼面结构在受载时，载荷在前、后翼之间发生转移。如果设计合理，有利的转移可以提高结构承载效率，进而实现结构重量的降低。然而，联结翼布局飞机结构上良好的减重潜力也会给结构设计带来了挑战。

超静定问题最明显的特征是内部分布与外载荷及刚度分布都直接相关。前后翼的内力不仅与气动载荷分配有关，还取决于前后翼的刚度分布。若采用传统的先进行气动外形设计后进行结构设计的串行设计步骤，那么在结构设计过程中，如果前后翼气动载荷分配不合理，就会导致结构重量超重，无法满足结构重量设计指标要求。在联结翼布局飞机气动布局以及外形设计时，应兼顾前后翼结构方案设计，以实现气动载荷分配与结构变形协调的匹配设计。所以，亟需发展一种考虑联结翼布局飞机气动载荷分配与结构变形协调的气动结构一体化设计方法。

发明内容

针对现有联结翼布局飞机气动与结构设计存在的问题，本发明提出一种联结翼布局飞机气动载荷分配与结构变形协调设计方法，可对联结翼布局飞机前后翼的气动载荷与结构刚度进行合理分布设计，同时得到满足气动和结构指标要求的气动外形和结构方案，从而提高联结翼布局飞机的气动结构设计效率。

本发明的技术方案为：

所述一种联结翼布局飞机气动载荷分配与结构变形协调设计方法，包括以下步骤：

步骤1：给定联结翼布局飞机的初始气动外形参数及结构参数，并指定设计工况、约束条件与目标函数；

步骤2：对联结翼布局飞机初始气动外形进行气动性能评估分析，得到联结翼布局飞机前翼和后翼的气动载荷分配及气动性能参数；

步骤3：根据联结翼布局飞机的初始结构参数构建结构有限元模型，并将依据步骤2得到的气动性能参数解算得到的气动载荷，以及结构惯性载荷施加到有限元模型上，进行有限元分析，计算得到初始结构构型结构方案的位移、扭转角、应力刚强度指标及前翼和后翼的变形协调关系；

步骤4：以前翼以及后翼的弦长、攻角、主梁外径、主梁壁厚的分布拟合系数作为设计变量；根据设定的联结翼布局飞机气动外形参数上下限和结构参数上下限确定设计变量上下限；

步骤5：以联结翼布局飞机升阻比最大和结构重量最小作为优化目标，考虑设定的气动性能约束和结构约束，以及步骤4得到的设计变量上下限约束，构建优化模型；采用优化算法进行气动和结构设计变量迭代寻优；迭代优化过程中，根据通过当前迭代设计变量确定的联结翼布局飞机气动外形和结构参数，进行气动性能评估分析以及结构有限元分析，得到当前迭代下的联结翼布局飞机前翼和后翼的气动载荷分配以及变形协调关系；最终根据最优的设计变量优化结果得到对应的联结翼布局飞机前翼和后翼的气动载荷分配以及变形协调关系，实现气动结构一体化优化设计方案。

进一步的，步骤1中，气动外形参数包括前翼及后翼的翼型、展长、弦长、攻角分布，结构参数包括前翼及后翼的主梁弦向站位、外径、壁厚，翼肋缘条和腹板的尺寸。