基于动力学特性的舵面结构综合优化研究

作     者：张昊伟 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王砚;金朋

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：舵面结构 颤振 综合优化 遗传算法 

摘      要：舵面结构是高超声速飞行器的重要组成部分,其稳定性是决定飞行器正常工作的关键所在。舵面颤振,作为高超声速飞行器翼面结构的一种典型动力学失稳形式,表现为结构在一定的临界速度及相位关系下,因气动弹性耦合作用的影响而导致结构破坏。因此对舵面结构进行动力学稳定性方面的研究具有重要的理论意义和广泛的应用价值,将动力学特性引入到结构设计阶段,可以避免后期的动力学分析反复迭代,缩短设计周期。本文针对某高超声速飞行器三角全动舵,基于气弹耦合作用的动力学特性分析,对舵面结构进行拓扑与尺寸综合优化研究。主要内容有:(1)系统的研究了气动弹性系统动力学分析方法,并进行典型舵面结构的动力学分析。根据颤振分析的气动弹性动力学方程,对初始构型的舵面结构进行了气弹耦合作用下的动力学分析研究,得到舵面结构的动力学特性分析结果。在此基础上改变构型部件尺寸,分析研究了不同部件尺寸变化对舵面结构颤振特性的影响。(2)采用变密度法进行典型工况下舵面结构多工况多约束拓扑优化研究。根据三角舵面结构气动外形,建立舵面结构拓扑优化有限元模型,并结合三种典型高超声速飞行条件下的气动力,采用载荷等效法实现气动网点至结构节点的参数化等效转换,利用变密度拓扑优化方法,进行多工况多约束条件下的结构布局构型优化研究,分析了气动力及多种约束条件对结构构型的影响,并得到全局性最优的传力路径与拓扑构型。(3)利用遗传算法进行基于气动弹性的拓扑构型尺寸优化研究。在舵面拓扑构型的基础上,建立有限元模型,并构建了两种尺寸优化模型:不考虑气动弹性约束的静力优化模型及考虑气动弹性约束的动力学优化模型,并分别利用并行遗传算法进行优化设计。分析了两种优化方案的飞行速度与阻尼、振动频率关系曲线。优化结果表明在结构优化设计中考虑气动弹性约束,可以得到满足轻量化、静力学以及动力学特性的舵面结构理想构型。