本文選題：軟式平流層飛艇　切入點：氣動特性　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：平流層飛艇是靠體內浮升氣體提供凈升力,靠推進系統(tǒng)抵抗氣動阻力及控制系統(tǒng)調整姿態(tài),可實現(xiàn)在平流層底部(約20km左右)長時間定點駐空的浮空器。懸空時間長、載重量大、隱身性能好、成本低等特點,使平流層飛艇具有重要的軍事與民用價值,已經(jīng)成為國內外的研究熱點。平流層飛艇工作高度處的空氣密度僅約為地面的1/14,意味著需要更輕質量及更大體積來產(chǎn)生足夠的凈升力。軟式飛艇以其質量輕、可實現(xiàn)大體積的特點成為平流層飛艇的首選結構形式。風荷載是平流層飛艇工作過程中的主要外荷載,風荷載作用下的氣動特性是飛艇結構設計的主要控制因素。該方面以往的研究多集中在雙橢球艇的測力試驗,缺少測壓試驗,尤其缺乏軟式飛艇氣動彈性效應的風洞試驗研究。與此同時,續(xù)航能力、載重量及結構受力性能是評價平流層飛艇性能的關鍵指標。續(xù)航能力的增加主要是靠減少氣動阻力節(jié)約動力能源來實現(xiàn)的。與其它飛行器相比,飛艇自重對載重量的影響更直接。因此,需要開展減阻、減重與提高結構受力性能的多目標優(yōu)化。基于上述背景,本文以某艇形軟式平流層飛艇為研究對象,綜合運用風洞試驗與數(shù)值模擬,對飛艇的氣動性能進行了系統(tǒng)性研究。在此基礎上,基于本文提出的優(yōu)化分析算法,對飛艇進行了多目標優(yōu)化分析。主要工作包括如下幾個方面:(1)為了從風壓分布角度更好地理解飛艇氣動特性的規(guī)律,設計并完成了縮尺比為1/30飛艇剛性模型的測壓風洞試驗。分析了偏航角、俯仰角及復合角(偏航與俯仰共同作用)下結構的氣動特性;根據(jù)研究艇體的外形特點,將其定義為頭部、中間、尾部三個部分。基于風壓分布特點,討論了各部分對艇體氣動特性的影響。(2)為了對飛艇的氣彈響應進行準確的評價,設計并完成了飛艇氣彈響應風洞測振試驗。對氣彈模型設計中不滿足相似性要求的相似偏差進行了評價,且給出了相應的修正;基于數(shù)字圖像相關技術獲得了飛艇的氣彈響應值,探討了風速、壓差及姿態(tài)對氣彈響應的影響;對飛艇的氣彈響應進行了評價,結果表明:本文研究飛艇在駐空高度處的氣彈響應較小,可以忽略不計。(3)飛艇的氣動阻力對其駐空時長及載重量等性能有重要的影響,為此,采用CFD數(shù)值模擬技術,對飛艇的氣動阻力特性進行了系統(tǒng)的分析。探討了環(huán)境參數(shù)、長細比及尾翼對結構氣動阻力的影響。基于CFD數(shù)值模擬結果,擬合出氣動阻力系數(shù)估算式,且給出艇體的分區(qū)平均風壓系數(shù)。(4)為了提高多目標優(yōu)化的效率,在評價與改進現(xiàn)有參數(shù)敏感性分析方法與多目標優(yōu)化算法的基礎上,提出了基于敏感性的多目標優(yōu)化算法,開發(fā)了用戶界面。在該算法中,優(yōu)化個體作為參數(shù)敏感性分析的樣本,參數(shù)敏感性分析的結果可以直接指導優(yōu)化進程,且在一次進化過程中可同時獲得優(yōu)化結果與敏感性結果。算例分析表明,該算法可以獲得精確性更高、均勻性更好的多目標優(yōu)化解集。(5)基于飛艇的非線性受力分析,建立了飛艇的多目標優(yōu)化模型,采用前文所提的優(yōu)化算法對飛艇進行了減阻、減重及提高受力性能的多目標優(yōu)化。在此基礎上,采用基于信噪比的決策方法,從優(yōu)化所得的Pareto解集中選擇滿足設計要求的最穩(wěn)健方案。
[Abstract]:Stratospheric airship is on body floating gas provided by net lift, propulsion system aerodynamic resistance and resistance adjustment of attitude control system, can be realized in the lower stratosphere (around 20km) aerostat in long time point empty. Suspended long time, large carrying capacity, good stealth performance, low cost and other features, the stratospheric airship with the military and civilian value, has become a research hotspot at home and abroad. At the height of the stratospheric airship work air density is only about 1/14 of the ground, implies the need for more light quality and greater volume to generate enough lift net. Soft airship with its light weight, can realize the characteristics of large volume are preferred structure of the stratospheric airship. The wind load is mainly outside the stratospheric airship during working load, wind load is the main aerodynamic characteristics of the airship control structure design factors. The research aspects of the past Focus on force test of double ellipsoid boat, the lack of pressure test, especially the lack of wind tunnel test on the blimp aeroelastic effect. At the same time, endurance, load and structure stress performance is the key indicator to evaluate the performance of stratospheric airship. The main increase endurance if by reducing aerodynamic drag power to achieve energy saving. Compared with other aircraft, airship weight more direct impact on the load. Therefore, to carry out drag reduction, multi-objective optimization weight loss and improvement of the mechanical properties of structure. Based on the above background, this paper takes a boat shaped flexible stratospheric airship as the research object, the integrated use of wind tunnel test and numerical simulation of airship the dynamic performance of the systemic research. Based on the analysis of algorithm optimization is proposed in this paper based on the multi-objective optimization of the airship. The main work includes the following aspects: (1) In order to better understand the wind pressure distribution from the angle of airship aerodynamics, designed and completed the scale of the wind tunnel test for the 1/30 model. The analysis of rigid airship yaw angle, pitch angle and compound angle (interaction of yaw and pitch) under the aerodynamic characteristics; according to the shape characteristics of the hull, the the definition of head, middle and tail of three parts. The characteristics of wind pressure distribution on each part of the dynamic characteristics of submarine gas is discussed. (2) in order to accurately evaluate the aeroelastic response of the airship, the airship designed and completed the aeroelastic response of vibration test of wind tunnel. The aeroelastic model design does not meet the similar the deviation of the similarity requirements were evaluated, and the corresponding correction; digital image correlation technique to obtain aeroelastic response value of Airship Based on wind speed, pressure difference and attitude influence on the aeroelastic response of the aeroelastic airship; The response was evaluated, and the results show that the research of airship aeroelastic response at the height in the air is small, can be neglected. (3) the airship aerodynamic resistance has an important influence on the length and weight in space-time performance therefore, using CFD numerical simulation technology, the dynamic characteristics of resistance to the airship gas are systematically analyzed. Discusses the environmental parameters, slenderness ratio and tail drag effect on the structure of gas. The results of CFD numerical simulation based on the fitting of the pneumatic resistance coefficient formula, and given the hull partition coefficient of mean wind pressure. (4) in order to improve the efficiency of multiobjective optimization, evaluation and improvement in the existing parameters the sensitivity analysis method based on multi objective optimization algorithm, proposed multi-objective optimization algorithm based on sensitivity, user interface is developed. In this algorithm, the optimization of the individual as a parameter sensitivity analysis of samples, the sensitivity analysis of parameters The results can directly guide the optimization process, and can simultaneously obtain the optimal results and sensitivity results in an evolutionary process. Examples show that this algorithm can obtain more accurate solutions of multi-objective optimization uniformity is better set. (5) the airship nonlinear stress analysis based on the established goals the optimization model of airship, the optimization algorithm is proposed to improve the drag reduction of the airship, and multi-objective optimization of mechanical performance of weight. On this basis, the decision method based on signal-to-noise ratio, the most robust solution scheme to meet the design requirements on the optimization of the Pareto.

【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：V211.54

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本文編號：1636156