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基于SBD技术的仿生机翼优化设计研究
| 论文题名： | 基于SBD技术的仿生机翼优化设计研究 |
| 关键词： | 船舶仿生机翼;前缘凹凸;尾缘锯齿;SBD技术;气动噪声 |
| 摘要： | 机翼的性能优化在交通运输工业中具有重要的应用意义，随着交通运输行业的发展与人类对于环境的保护的重视，世界各国的航空研究机构对于机翼的气动性能与气动噪声性能提出了更高的要求。利用仿生学将自然界中生物的某些结构应用于改进机翼性能的研究，可以实现更高的性能追求并且扩大作为推进与控制机械设备的应用范围。最优化技术与CFD技术结合的SBD（SimulationBasedDesign）技术是以目标为驱动的先进优化方法，已经在多个设计领域研究得到应用，并取得了显著的效果。本文将SBD技术引入仿生机翼的设计领域，重点研究了三维机翼仿座头鲸前鳍的前缘凹凸结构的参数化变形设计和仿猫头鹰翅的尾缘锯齿结构的参数化变形设计，结合CFD数值预报方法对气动性能与气动噪声性能进行评估，气动性能优化以失速角和升力系数作为优化目标，气动噪声性能优化以总声压级和峰值声压级作为目标，在优化算法的指导下，构建基于SBD技术的仿生机翼多目标性能优化设计平台。 首先，进行标准机翼参数化的仿生设计。以座头鲸鳍前缘凹凸结构为启发，采用多段指数衰减曲线拟合进行参数化控制变形；以猫头鹰翅尾缘锯齿结构为启发，通过构建平直型和尖梢型两种切割型刀具的方式进行机翼尾缘参数化变形。 随后，以前缘凹凸仿生设计的三维机翼为对象，借助CFD粘流方法完成以失速角和最大升力系数为设计目标的数值预报，应用快速非支配遗传算法与Kriging代理模型结合的优化算法，开展三维仿生前缘凹凸机翼气动性能的多目标优化设计，获得多个气动性能更优的设计方案。设计方案中失速角的提升33.3%和16.7%，四个最优个体升力系数提升最大的达到3.9%。目标函数失速角和升力系数与指数衰减拟合曲线的衰减参数相关程度最高，证明了指数衰减曲线区别于以往标准函数曲线的衰减特征对于提高气动性能的有效性。 再以两种尾缘锯齿仿生设计的三维机翼为对象，将总声压级和声压级峰值确定为噪声优化设计目标。选用快速非支配遗传算法，开展三维仿生尾缘锯齿机翼的气动噪声多目标优化设计，得到气动噪声性能最优的两种个体。最优个体的总声压级均降低9.41dB，峰值声压级降低约7.98dB。对比分析标准机翼与优化机翼的气动噪声的声压级频谱、三分之一倍频程曲线等声学特征图。对优化得到的三维仿生尾缘锯齿变形机翼进行流动机理研究。以上两种仿生机翼性能优化平台，证明SBD技术对于仿生机翼气动性能和气动噪声的优化设计研究的可行性及潜力。 |
| 作者： | 李子莹 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 刘社文 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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