某型通用飞机机翼2.5D重构优化设计.pdf

机械设计与制造34Machinery Design&Manufacture第8 期2023年8 月某型通用飞机机翼2.5D重构优化设计王艳冰12,项松12,刘远强,赵为平1（1.沈阳航空航天大学通用航空重点实验室，辽宁沈阳110 136；2.辽宁通用航空研究院，辽宁沈阳日110 136)摘要：为了扩展某型通用飞机机翼优化设计的工程应用范围，在巡航状态下RAE2822-TE翼型优化设计基础上，考虑到翼型本身结构的优化及径向分布，对机翼进行2.5D重构优化设计研究。根据某型通用飞机的低空飞行条件，设计出了集Hicks-Henne参数化、CFD数值计算和NLPQL优化算法为一体的翼型优化方案，将优化后的翼型按照原机翼参数对其进行8 个剖面的重构建模。结果表明：优化后的翼型的升力系数和升阻比提升明显，俯仰力矩系数优于原翼型，具备更优异的气动特性；2.5D重构优化的机翼巡航升力系数提升了6.19%，巡航性能提升了2.2 7%,更好满足通用低速飞机的飞行需求，验证了二维翼型优化转三维机翼2.5D设计方法的合理性和实用性，有效引导工程优化设计思想。关键词：通用飞机；翼型优化；2.5D；机翼优化中图分类号：TH16;V211.44Optimization Design of 2.5D Reconstruction of a General Aircraft WingWANG Yan-bing2,XIANG Song2,LIU Yuan-qiang,ZHAO Wei-ping(1.Key Laboratory of General Aviation,Shenyang Aerospace University,Liaoning Shenyang 110136,China;2.Liaoning General Aviation Academy,Liaoning Shenyang 110136,China)Abstract:In order to expand the engineering application range of the wing optimization design of a general aircraft,based on theRAE2822-TE airfoil optimization design in cruise state,taking into account the optimization and radial distribution of the airfoilitself,the 2.5D reconstruction of the wing optimization design research.According to the low-altitude flight conditions of a generalaircraft,an airfoil optimization scheme that integrates Hicks-Henne parameterization,CFD numerical calculation and NLPQLoptimization algorithm is designed.The optimized airfoil was remodeled with 8 sections according to the original wing parameters.The result indicated that the optimized airfoils lift coefficient and lifi-to-drag ratio are significantly improved,the pitch torque co-efficient is better than the original airfoil,and it has better aerodynamic characteristics;the 2.5D reconstruction optimized wingcruise lift coeficient is increased by 6.19%.The cruise performance has been improved by 2.27%,which can better meet the flightrequirements of general low-speed aircraft.It has verified the rationality and practicability of the 2.5D design method of two-di-mensional airfoil optimization to three-dimensional wing,which effectively guides engineering optimization design ideas.Key Words:General Purpose Aircraft;Airfoil Optimization;2.5D;Wing Optimization文献标识码：A文章编号：10 0 1-39 9 7(2 0 2 3)0 8-0 0 34-0 41引言未来的通用航空飞机将朝着高效、经济、环保和安全的趋势发展，这对飞机本身的气动性能提出更高的要求。机翼气动设计是通用飞机设计的重要环节，直接关系着飞机气动性能的优劣。对于典型布局的通航飞机在巡航状态下，机翼的阻力约占总阻力的6 0%，当飞机的整体布局确定，如何提升机翼的升力和降低机翼阻力成为飞机气动设计的关键2。机翼的气动外形优化研究是依据工程约束目标，利用优化算法设计出高性能的二维翼型或者三维复杂机翼构型设计。增升减阻是通用航空飞机机翼气动优化设计的核心问题。研究表明，来稿日期：2 0 2 2-0 6-0 8基金项目：辽宁省自然科学基金指导计划（2 0 18 0 550 8 2 4)作者简介：王艳冰，（19 9 5-）,男，河北人,硕士研究生，主要研究方向：计算流体动力学和空气动力学；项松，（19 7 8-）,男，辽宁沈阳人，博士研究生，研究员，主要研究方向：高效率螺旋奖设计大型飞机的阻力系数每下降1count,载重增加约7%3。飞机机翼气动优化是飞机提升气动性能的重要方法，其中主要实现形式是将流场ComputationalFluidDynamics仿真和非线性优化技术相结合的数值优化方法。近年来，众多国内外学者在翼型优化方面和机翼优化方面开展了大量研究。在翼型优化方面：文献14根据非均匀有理B样条基函数特性并结合映射技术建立了结构对接网格变形模式和粒子群优化算法优化了某型高空飞机翼型。文献5使用十二个参数描述一般翼型，并提出粒子沼泽优化算法，优化了特定翼型的力学性能。文献6 使用多保真空气动力学数据来构建响应面模型，提出了一种通过特定分析进行翼型优化的方法，使翼型上下第8 期表面更加光滑，翼型阻力系数降低越10%。文献7 基于小扰动和弱非线性假设，提出了基于气动力降阶模型和径向基函数参数化的翼型优化方法。在机翼设计和优化方面：文献8 采用自由变形FFD方法和NSGA算法对某型通用飞机机翼进行了优化设计。文献9 提出了将Pareto遗传算法与Euler方程和旋翼气动分析模型的机翼多目标优化设计方法。文献10 开发了用于飞机机翼高保真多学科设计优化的全自动框架程序。文献提出了两种HWB配置方法对飞机的混合机翼的气动优化方法。目前大部分的通用航空飞机机翼优化设计很少考虑到翼型本身结构及位置分布对机翼气动性能的影响。这里提出了一种二维翼型优化转三维机翼的设计方法（2.5Dimensions）,即对剖面形状进行优化，并将优化结果返回总体外形级。将Hicks-Henne参数化、CFD数值计算和NPQOL优化算法集合为一体的快速翼型优化设计，对原始机翼的2 5%径向位置处剖面翼型在特殊状况下的气动特性进行优化，然后将优化后的翼型按照原机翼的基本参数进行8 个剖面重构建模，并与原始机翼的气动数据加对比验证。2机翼参数及优化目标某型通用固定翼飞机在巡航状态下的飞行条件：飞行高度H=3km，飞行速度V=144km/h，螺旋桨转速n=2400r/min，机翼迎角=2.85某型通用飞机的半模机翼基本参数为：基准翼型为RAE2822-TE翼型、翼展b=2.4m、参考机翼面积S=0.754m、翼根弦长cr=800mm、翼尖弦长ch=432mm、2 5%径向位置弦长co.25=708mm、展弦比A=3.82、梢根比入=1.8 6。某型通用飞机机翼的几何形状、气动弦长和截面翼型等数据，如图1所示。机翼优化设计目标：以某型通用飞机在巡航状态下的飞行条件为基础，优化后的特征截面的二维RAE2822-TE翼型的升力系数和升阻比要高于原翼型；2.5D重构优化设计后的机翼的巡航升力系数和巡航性能高于原机翼。Aerodynamic chord length of wing sectionSectiony/b10.0020.2530.5040.7550.8561.00RAE2822-TE.AirfoilCo.25=708mm图1某型飞机机翼的形状和参数Fig.1 The Shape and Parameters of an Aircraft Wing3机翼翼型优化方法3.1翼型Hicks-Henne参数化解析函数线性叠加法是翼型参数化最有效的方法之一。本节采用Hicks-Henne方法对机翼的截面RAE2822-TE翼型进行参数化。Hicks-Henne参数化的翼型上、下表面的解析表达式为：王艳冰等：某型通用飞机机翼2.5D重构优化设计nni(xlc)=u(x/c)+k=n+1式中：x一翼型横轴坐标;c一翼型弦长;yy一翼型上、下表面纵轴坐标的无量纲量;yavJu一翼型上、下表面的扰动量；nvn一翼型上下表面参数的个数;f（x l c)一型函数;A一设计变量。型函数f(xlc)和e(k)的数学表达式：(x/c)0.25(1-(xlc)e-20,k=1f.(x)=sin(m(x/e)(),k 21g 0.5e(k)=Ig(x/c)假设k=2、3、4、5、6、7 时,Hicks-Henne型函数最大幅值点（x/c)分别为0.15、0.30、0.45、0.6 0、0.7 5、0.9 0,则翼型的上下表面各7个控制参数。3.2CFD数值研究方法某型通用飞机机翼的截面翼型气动参数基于求解二维雷诺平均的Navier-Stokes方程，采用空间离散的有限体积法，利用SIMPLE算法求解流场，控制方程中对流通量项采用二阶迎风SecondOrderUpwind格式离散，黏性通量项采用中心差分格式离散，端流模型选取SSTk-模型。在连续介质假设条件下，三维非定常可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程的控制方程为：a0+a(E-E,)+a(F-F.)+a(G-G.)tx式中：Q一单位体积的质量、能量和动量的流场变量;t一时间项；E、F、G 一无黏性流通量;E,、F、G 一黏性流通量。3.3优化算法优化算法选择非线性二次规划NLPQL算法。NLPQL算法将约束函数转化为罚函数再加人到目标函数中。NLPQL算法有效求解约束非线性优化问题，其具备计算效率高、收敛速度快和边Ci=432mm6c/mm58004708616524487.243230C=800mm35.(x/c)=ya(x/e)+Ak fi(x/c)(1)(2)(3)(4)=0(5)y界搜索能力强等优点。3.4基本设置翼型Hicks-Henne参数化过程中，为了探究RAE2822-TE翼型形状变化对其气动性能的影响，控制Ak的选择范围来改变翼型的几何形状从而寻找气动外形形状的最优解。翼型上下翼面2的设计变量的寻优区间，如表1所示。表1上下翼面设计变量的寻优区间1Tab.1 Optimization Interval for DesignVariables of Upperand Lower Wings上翼面优化区间设计变量Akul-0.0800.060Aku2-0.0700.070Aku30.0100.004Aku4-0.0060.008Aku50.0060.008Aku6-0.005 0.002Aku70.0800.060下翼面设计变量Akd1Akd2Akd3Akd4Akd5Akd6Akd7优化区间-0.0700.070-0.0800.060-0.0040.010-0.0040.010-0.0050.009-0.0800.060-0.0090.005No.836机械设计与制造机翼的基准翼型RAE2822-TE翼型的设计工况为：来流马赫高；阻力系数与原翼型基本保持一致；升阻比大幅度提高，具备较数Ma=0.119,迎角=2.85,Re=2.0210%。RA E2 8 2 2-T E翼型采好的气动性能。当气动迎角=2.85，优化翼型的升力系数和升用0 型结构网格，翼型算例网格数量为6 2 514,壁面第一层网格厚阻比较原翼型提升6.9 0%和6.8 7%，阻力系数仅增加了0.5count。度0.0 0 0 0 1,生长率1.0 5，确保了Y1,满足SSTk-端流模型的由图7 可知，优化翼型在(0 10)气动攻角下的俯仰力矩系数绝精度要求。计算域外围为压力远场，远场距离为翼型弦长的10对值均小于原翼型，符合最初的气动约束条件。倍，并求解计算二维翼型在设计工况的气动数据。RAE2822翼1.5型0 型结构网格，如图2 所示。a)Overall griddistributionof RAE2822 airfoilAug.20231.20.9b)Griddistributionaround RAE2822airfoif0.6一原翼型-新翼型0.30图2 RAE2822-TE翼型O型结构网格图4新翼型与原翼型的升力系数对比Fig.2 RAE2822-TE Airfoil O-Shaped Structural GridFig.4 Comparison of Lift Coefficient Between通用航空飞机不仅需要提高飞机的巡航升力，更重要的一点New Airfoil and Original Airfoil要降低油耗，增加航程，则需要提高飞机的巡航性能(巡航性能H定义为巡航马赫数与机翼的升阻比LID的乘积,即H=MaxL/D)。某型通用飞机机翼优化模型的数学表达式为：OBJ:MAX(C,),MAX(K 2.8s)S.T.Thickness E 20%(Thickness)S-So|/S。5%a n d|Cu|Cmo l式中：C一升力系数；K2.85一翼型在气动攻角2.8 5的升阻比；Thickness一分别对翼型的上下翼面的厚度方向进行限制；S、S一优化翼型和原始翼型的数学面积；C和CMo一优化翼型和原始翼型的俯仰力矩系数。3.5翼型优化设计结果优化前后的RAE2822-TE翼型的形状对比，如图3所示。可以看出，相比原翼型,新翼型上表面厚度略有增加并逐渐趋近于后缘曲线，下表面曲线整体向内凹进，最大厚度位置后移。其中新旧翼型的数学面积分别为0.0 7 39 4m和0.0 7 8 6 2 m，相对误差为5.95%，符合优化模块的限制条件。0.09F0.060.030.00-0.030.060.0优化前后的气动力系数，如图4 图6 所示。可以看出，RAE2822-TE翼型在设计工况下，优化的新翼型升力系数均有提27060504030200Fig.5 Comparison of Lift-to-Drag Ratio BetweenNew Airfoil and Original Airfoil-0.040-0.0450.050一原翼型新翼型0.20.4xc图3优化翼型与原翼型的形状对比Fig.3 Comparison of Optimized AirfoilShape and Original Airfoil Shape4a/()一原翼型-新翼型24a/()图5新翼型与原翼型的升阻比对比原翼型新翼型5-0.055-0.0600.065-0.07000.60.86624a/()1.0图6 新翼型与原翼型的俯仰力矩系数对比Fig.6Comparison of Pitch Moment CoefficientBetween New Airfoil and Original Airfoil4机翼2.5D重构优化设计4.1改进机翼重构建模对某型通用飞机机翼进行2.5D重构建模，将第3节优化后的8868101010No.8Aug.2023RAE2822-TE翼型按照原机翼的基本参数进行8 个剖面的建模。改进机翼的CATIA模型，如图7 所示。图7 优化机翼的CATIA模型Fig.7 CATIA Model for Optimized Wing4.2机翼气动特性对比在H=3km,Ma=0.119,=2.85,Re=2.0210的巡航飞行状态下，对新旧两种机翼的气动性能进行计算结果，如表2 所示。优化后的机翼巡航升力系数提升了6.19%,巡航性能提升了2.2 7%，巡航阻力增加了5.3count，俯仰力矩系数减小了6.9 count。表2 新旧机翼气动参数对比Tab.2 Comparison of Optimized andOriginal Wing Aerodynamic Parameters项目C旧翼型0.23112新翼型0.24543变化率6.19%由图8 可知，新机翼2 5%径向位置特征面的压力系数分布曲线更加缓和，其中前缘吸力峰降低明显，有效的避免低速飞机失速特性过差；（7 0 10 0)%弦长处后加载的上下表面的压力系数差与原机翼基本保持不变，其中适当后加载强度可以提高了机翼升阻比和非设计点特性；下表面的最高压力系数变低，说明了机翼下表面的空气流速降低，避免出现高流速区。-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.80.2图8 新机翼与原机翼2 5%径向位置的压力系数对比Fig.8 Comparison of Pressure Coefficient BetweenNew Wing and Original Wing at 25%Radial Position5结论这里以优化某型通用飞机机翼的巡航升力系数和巡航性能为目标，提出了一种特征剖面的二维翼型优化转三维机翼的2.5D设计方法，得出了以下结论：(1)利用Hicks-Henne方法对RAE2822-TE翼型参数化建模，利用CFD计算方法和NPQOL优化算法。根机械设计与制造据某型飞机的特定条件设置相关数学模型。优化后的新翼型升阻比提升明显以及俯仰力矩系数优于原翼型，具备更佳的气动性能，可应用于通用飞机机翼翼型优化设计。（2)2.5D重构的改进机翼在巡航升力和巡航性能都优于原机翼，分别提升了6.19%和2.27%,验证了2.5D翼型优化方法对低速飞机机翼性能优化的有效性和实用性，有效引导工程优化设计思想。但该方法机翼的巡航阻力增加了3.8 6%，因此下一任务，将直接考虑机翼本身形状变化对机翼减阻优化的影响。参考文献1王钢林,楚亮.提升通用飞机气动效率的设计策略研究J.航空工程进展,2 0 15,6(2)：16 0-16 5.(Wang Gang-lin,Chu Liang.Research on design strategy for improvingaerodynamic efficiency of general airplaneJ.Advances in AeronauticalEngineering,2015,6(2):160-165.)2朱自强，吴宗成，丁举春.层流流动控制技术及应用J.航空学报，2011,32(5):765-784.(Zhu Zi-qiang,Wu Zong-cheng,Ding Ju-chun.Laminar flow controltechnology and application JJ.Acta Aeronautica Sinica,2011,32(5):765-784.)3白鹏，马汉东，周伟江.CFD在大飞机设计中的工程化应用C/大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会2 0 0 7 年学术年会论文集，北京，中国航空学会，2 0 0 7:8 13-8 18.(Bai Peng,Ma Han-dong,Zhou Wei-jiang.Engineering application ofCFD in large aircraft design CJ/High-level Forum on Key Technolo-CCu0.01374-0.055800.01427-0.056493.86%1.24%一原翼型-新翼型0.30.40.50.6x/mm37Hgies of Large Aircraft and Proceedings of the 2007 Annual Conference of2.0017the Chinese Society of Aeronautics,Beijing,Chinese Society of Aeronau-tics,2007:813818.)2.04724黄江涛，高正红,白俊强,等.应用Delaunay图映射与FFD技术的层流2.27%翼型气动优化设计J】.航空学报，2 0 12,3310)：18 17-18 2 6.(Huang Jiang-tao,Gao Zheng-hong,Bai Jun-qiang,et al.Laminar air-form aerodynamic optimization design based on delaunay graph mappingand FFD techniqueJ.Acta Aeronautica Sinica,2012,33(10):1817-1826.)5 Mukesh R,Lingadurai K,Elamvaluthi K.Influence of optimization algo-rithm on airfoil shape optimization of aircraft wingsJ.Applied Mechan-ics&Materials,2012(232):614-619.6 Klimczyk W A,Goraj Z J.Analysis and optimization of morphing wingaerodynamicsJJ.Aircraft engineering,2019,91(3):538-546.7张珺，李立州，原梅妮.径向基函数参数化翼型的气动力降阶模型优化J.应用数学和力学,2 0 19,40(3)：2 50-2 58.(Zhang Jun,Li Li-zhou,Yuan Mei-ni.Optimization of RBF parameter-ized airfoils with the aerodynamic ROM JJ.Applied Mathematics andMechanics,2019,40(3):250-258.)8刘远强，白俊强，徐家宽，等.通航飞机高升力层流机翼优化设计J.飞行力学,2 0 17,35(1)：16-2 0.(Liu Yuan-qiang,Bai Jun-qiang,Xu Jia-kuan,et al.Optimization de-sign of high-lift laminar wing for general aircraft J.Flight Mechanics,2017,35(1):16-20.)9李倩，詹浩，朱军.基于Pareto遗传算法的机翼多目标优化设计研究J.西北工业大学学报,2 0 10,2 8(1)：134-137.(Li Qian,Zhan Hao,Zhu Jun.Exploring combination of pareto genetic al-gorithm(GA)with aerodynamic analysis software for multi-objective op-0.70.80.9timization of wingJ.Journal of Northwestern Polytechnical University,2010,28(1):134-137.)10 Benaouali A,Kachel S.Multidisciplinary design optimization of aircraftwing using commercial software integration J.Aerospace Science andTechnology,2019(92):766-776.11 Reist T A,Zingg D W,Rakowitz M,et al.Multifidelity optimization ofhybrid wing-body aircraft with stability and control requirements J.Journal of Aircraft,2019,56(2):442-456.12张雄雄,燕必希，孙广开，等.柔性变形机翼设计及其结构力学性能分析J.机械设计与制造，2 0 2 0(5)：16 3-16 6.(Zhang Xiong-xiong,Yan Bi-xi,Sun Guang-kai,et al.Design of flex-ible deformable wing and analysis of its structural mechanical proper-tiesJ.Machinery Design&Manufacture,2020(5):163-166.)