小型太阳能飞机气动/结构/推进一体化设计研究

【摘要】： 太阳能飞机是以太阳辐射能为能量来源的电动飞行器,是航空科学技术与新能源技术相结合的产物。作为一种新概念飞行器,其气动、结构、推进学科相互紧密耦合。本文主要探讨如何用多学科设计优化方法对太阳能飞机进行气动/结构/推进一体化设计。 本文基于多学科设计优化方法框架,将太阳能飞机的一体化设计问题分解为系统级优化与三个单学科优化两个层次。系统级优化的任务是调整共享设计变量与辅助设计变量,在满足一致性约束条件下,使起飞重量最轻;子系统的任务是调整局部设计变量,在满足本学科的设计要求下,使子系统的目标最优。该方法通过引入辅助设计变量与一致性约束,实现了学科间的解耦和并行优化。为了减小计算量,提高计算速度,在子系统级建立了气动与结构学科的代理模型。计算结果表明,多学科设计优化方法能有效地降低太阳能飞机的起飞重量。除此之外,本文还研究了部分总体参数的变化对太阳能飞机起飞重量的影响。 【关键词】：太阳能飞机 优化 气动设计 结构设计 飞机设计
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：V221
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 太阳能飞机的历史12-13
• 1.2 太阳能飞机的特点及应用前景13
• 1.3 太阳能飞机的研究现状13-17
• 1.3.1 Sunbeam I14
• 1.3.2 SoLong14-15
• 1.3.3 墨卡托15-16
• 1.3.4 HELIPLAT16-17
• 1.3.5 国内研究状况17
• 1.4 太阳能飞机多学科耦合关系17
• 1.5 飞机总体参数优化方法回顾17-18
• 1.6 本文的工作18-20
• 第二章 太阳能飞机气动/结构/推进一体化设计二级优化方法20-32
• 2.1 多学科设计优化方法20-23
• 2.1.1 一致性约束优化算法21-22
• 2.1.2 协同优化算法22-23
• 2.2 面向气动/结构/推进一体化设计的二级优化方法23-25
• 2.3 二级优化方法的特点25-26
• 2.4 基于代理模型的二级优化方法26-27
• 2.5 二级优化方法构建因素27-32
• 2.5.1 idrag 程序简介28
• 2.5.2 MSC.Patran、MSC.Nastran 简介28-32
• 第三章 太阳辐射与太阳电池32-42
• 3.1 太阳辐射能32-33
• 3.2 影响太阳辐射能的因素33-34
• 3.3 太阳电池简介34-37
• 3.3.1 太阳电池的分类34-35
• 3.3.2 太阳电池的基本特性35-37
• 3.4 太阳能飞机推进系统37-38
• 3.4.1 太阳电池阵列37-38
• 3.4.2 二次电源38
• 3.4.3 能源管理与分配系统（PMAD）38
• 3.4.4 动力系统38
• 3.5 能源系统输出功率计算38-42
• 第四章 气动/结构/推进一体化设计研究42-59
• 4.1 太阳能飞机设计问题定义42
• 4.2 太阳能飞机参数化模型42-43
• 4.3 太阳能飞机设计问题的二级优化方法表述43-44
• 4.4 气动优化模型44-46
• 4.4.1 气动优化模型的建模44-45
• 4.4.2 气动优化问题定义及优化结果45-46
• 4.5 结构优化模型46-50
• 4.5.1 机翼结构布置方案46
• 4.5.2 机翼的参数化建模46-47
• 4.5.3 机翼材料的选用47-48
• 4.5.4 结构优化定义48-49
• 4.5.5 结构优化结果49-50
• 4.6 推进学科优化模型50-51
• 4.6.1 推进系统的重量50-51
• 4.6.2 推进学科优化定义51
• 4.7 气动/结构/推进一体化设计的实现51-57
• 4.7.1 系统集成51-53
• 4.7.2 代理模型的建立53-56
• 4.7.3 优化结果56-57
• 4.8 总体参数对起飞重量的影响57-59
• 第五章 总结和进一步的工作59-61
• 5.1 本文总结59
• 5.2 进一步的研究工作59-61
• 参考文献61-64
• 致谢64-65
• 攻读硕士期间发表的论文65

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