采用替代建模技术对复合材料低雷诺数机翼进行气动结构优化 Eleftherios Nikolaou Spyridon Kilimtzidis Panagiota Kelverkloglou Vaios Lappas Vassilis Kostopoulos

《Drones》：Aerostructural Optimization of a Composite Low Reynolds Wing Using Surrogate Modeling Techniques Eleftherios Nikolaou, Spyridon Kilimtzidis, Panagiota Kelverkloglou, Vaios Lappas and Vassilis Kostopoulos

　　

摘要

本研究提出了一个用于低雷诺数复合材料无人机机翼初步设计的空气动力学优化框架，旨在同时提升空气动力效率和结构性能。虽然以往的研究主要关注空气动力优化，但本研究将计算流体动力学（CFD）和有限元方法（FEM）分析整合到了基于替代模型的优化（SBO）框架中。设计空间包括空气动力参数（如展弦比、 taper 比例、后掠角和扭转角）以及与机翼内部布局和部件厚度相关的结构变量。为了降低高保真模拟的计算成本，本研究采用了克里金替代模型，并结合了期望改进（EI）填充策略，从而有效地探索了耦合设计空间。通过使用不同的初始采样策略进行多次独立优化运行，该框架证明了能够一致地收敛到可行的高性能设计。替代模型表现出很强的预测能力，这一点通过均方根误差（RMSE）和留一法（LOO）交叉验证指标得到了验证。结果表明，空气动力参数，尤其是展弦比和扭转角，是影响飞行距离的主要因素。然而，结构变量（尤其是蒙皮厚度）对满足约束条件具有重要意义，尤其是在抗弯强度要求方面，因此在定义可行设计空间中起着关键作用。最优配置实现了约203公里的最大飞行距离，同时满足了所有的强度、刚度和空气动力约束。总体而言，所提出的方法为低雷诺数无人机机翼的早期空气动力学设计提供了一种高效且稳健的工具。