平流层飞艇是靠体内浮升气体提供净升力,靠推进系统抵抗气动阻力及控制系统调整姿态,可实现在平流层底部(约20km左右)长时间定点驻空的浮空器。悬空时间长、载重量大、隐身性能好、成本低等特点,使平流层飞艇具有重要的军事与民用价值,已经成为国内外的研究热点。平流层飞艇工作高度处的空气密度仅约为地面的1/14,意味着需要更轻质量及更大体积来产生足够的净升力。软式飞艇以其质量轻、可实现大体积的特点成为平流层飞艇的首选结构形式。风荷载是平流层飞艇工作过程中的主要外荷载,风荷载作用下的气动特性是飞艇结构设计的主要控制因素。该方面以往的研究多集中在双椭球艇的测力试验,缺少测压试验,尤其缺乏软式飞艇气动弹性效应的风洞试验研究。与此同时,续航能力、载重量及结构受力性能是评价平流层飞艇性能的关键指标。续航能力的增加主要是靠减少气动阻力节约动力能源来实现的。与其它飞行器相比,飞艇自重对载重量的影响更直接。因此,需要开展减阻、减重与提高结构受力性能的多目标优化。基于上述背景,本文以某艇形软式平流层飞艇为研究对象,综合运用风洞试验与数值模拟,对飞艇的气动性能进行了系统性研究。在此基础上,基于本文提出的优化分析算法,对飞艇进行了多目标优化分析。主要工作包括如下几个方面:(1)为了从风压分布角度更好地理解飞艇气动特性的规律,设计并完成了缩尺比为1/30飞艇刚性模型的测压风洞试验。分析了偏航角、俯仰角及复合角(偏航与俯仰共同作用)下结构的气动特性;根据研究艇体的外形特点,将其定义为头部、中间、尾部三个部分。基于风压分布特点,讨论了各部分对艇体气动特性的影响。(2)为了对飞艇的气弹响应进行准确的评价,设计并完成了飞艇气弹响应风洞测振试验。对气弹模型设计中不满足相似性要求的相似偏差进行了评价,且给出了相应的修正;基于数字图像相关技术获得了飞艇的气弹响应值,探讨了风速、压差及姿态对气弹响应的影响;对飞艇的气弹响应进行了评价,结果表明:本文研究飞艇在驻空高度处的气弹响应较小,可以忽略不计。(3)飞艇的气动阻力对其驻空时长及载重量等性能有重要的影响,为此,采用CFD数值模拟技术,对飞艇的气动阻力特性进行了系统的分析。探讨了环境参数、长细比及尾翼对结构气动阻力的影响。基于CFD数值模拟结果,拟合出气动阻力系数估算式,且给出艇体的分区平均风压系数。(4)为了提高多目标优化的效率,在评价与改进现有参数敏感性分析方法与多目标优化算法的基础上,提出了基于敏感性的多目标优化算法,开发了用户界面。在该算法中,优化个体作为参数敏感性分析的样本,参数敏感性分析的结果可以直接指导优化进程,且在一次进化过程中可同时获得优化结果与敏感性结果。算例分析表明,该算法可以获得精确性更高、均匀性更好的多目标优化解集。(5)基于飞艇的非线性受力分析,建立了飞艇的多目标优化模型,采用前文所提的优化算法对飞艇进行了减阻、减重及提高受力性能的多目标优化。在此基础上,采用基于信噪比的决策方法,从优化所得的Pareto解集中选择满足设计要求的最稳健方案。