[發明專利]基于光滑粒子流體動力學的飛機油箱串油特性優化方法

有效

• 申請號: 201611139740.9
• 申請日: 2016-12-12
• 公開（公告）號: CN106777662B
• 公開（公告）日: 2020-04-10
• 發明（設計）人: 李寶童;洪軍;劉宏磊;高坤;唐文豪
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F111/04
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

1.基于光滑粒子流體動力學的飛機油箱串油特性優化方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)小充液比油箱隔板設計：

隨著油箱充液比逐漸減小，燃油液面晃動幅度與平復時間將逐漸變大，以受影響最大的小充液比工況為優先設計工況，定義工程設計中常用的30％充液比為小充液比工況；

2)確定設計變量

取圓形作為串油孔開孔形狀，每個串油孔包含圓心坐標x、y以及半徑r共計3個變量，在隔板上均勻布置n個串油孔，將其作為初始布局，此時共有3n個變量，將這些變量有序地存儲到向量中；

3)確定目標函數——平衡時長t_平衡：

以串油性能最佳為優化目標，將燃油質心開始波動到波動強度衰減至可接受值B_標準所用的時長設定為衡量串油性能的指標，命名為平衡時長t_平衡，平衡時長t_平衡即為關于設計變量的目標函數；

定義外界激勵結束時刻為初始時刻，從初始時刻開始計時，定義經過平衡時長t_平衡后燃油的狀態為平衡狀態，此時為時刻T_平衡；

平衡時長t_平衡具體求解步驟如下：

3.1)利用SPH方法求解運動狀態：

利用SPH方法計算出任意時刻燃油所有微粒的運動狀態，包括任意時刻各個微粒的位置、速度、加速度、壓強、密度；

3.2)建立平衡函數并求出平衡時長t_平衡：

3.2.1)計算質心位置：

依據步驟3.1)獲得的所有微粒的位置坐標(i＝1,2…sum)計算出任意時刻這些微粒所共同構建的燃油整體的質心坐標

3.2.2)定義平衡無流動狀態：

定義一個對比流體，其粘度系數為燃油粘度的10倍，其它參數一致，利用SPH方法計算對比流體的微粒運動狀態；記錄初始時刻該對比流體所有微粒加速度大小之和，其后隨著時間的推進，當對比流體中所有微粒的加速度大小之和為初始時刻的1％時，定義流體此時的狀態為平衡無流動狀態；

3.2.3)構建平衡函數：

設定油箱共有l個隔艙，定義第e號隔艙t時刻燃油質心為其平衡無流動狀態下質心為定義平衡函數為t時刻所有隔艙流體質心相對于平衡無流動狀態下質心的波動強度：

上式中，為t時刻所有隔艙燃油質心相對于平衡無流動狀態下質心的平均波動幅值，V為燃油總體積；此時，平衡函數表征t時刻所有隔艙中燃油質心的波動強度，為無量綱量；

3.2.4)計算平衡時長t_平衡：

記錄平衡函數隨時間變化產生的波峰及波谷，在不引入新外界激勵的條件下，如果連續波峰或波谷連續三次低于標準值B_標準，則取初始時刻到第一次低于B_標準的波峰或波谷對應的時刻所用的時長為平衡時長t_平衡；B_標準取為5％；如果系統中出現新的外界激勵，則以新激勵結束時為初始時刻，重新計時；

此處獲得一個關于平衡函數的隱函數t_平衡，隱函數t_平衡即為目標函數；

4)確定約束函數：

4.1)位置約束函數：

將串油孔中心坐標約束在隔板區域內，不得越離邊界；假設隔板為長L、寬W的長方形，則約束寫為：

0≤x≤L,0≤y≤W(2)

其它形狀隔板依上式進行調整；

4.2)形狀約束函數：

使用圓形作為開孔形狀，開孔半徑r滿足：

r≥0(3)

4.3)波動約束函數：

飛機油量測量需在液面小波動狀態下進行，使用波動函數表征燃油液面波動強度，并約束波動函數值不得超過許用標準值F_標準；具體解算方法如下：

4.3.1)燃油微粒運動分析：

利用SPH方法計算出T_平衡時刻各個燃油微粒運動及受力狀態；

4.3.2)構建約束函數——波動函數：

選取T_平衡時刻燃油表面的所有微粒，其方法為選取所有壓強為零的微粒；設第e號隔艙的液面共有s_e個微粒，任取平衡無流動狀態下e號隔艙液面三個不共線的點，記為A_e、B_e、C_e，則T_平衡時刻燃油表面的微粒i_e相對于平衡無流動液面的距離d_ie為：

波動函數寫作：

$F\left(\stackrel{\→}{S}\right)=\frac{\frac{1}{l}\underset{e=1}{\overset{l}{\Σ}}\left(\frac{1}{s_e}\underset{i_e=1}{\overset{s_e}{\Σ}}{d}_{i_e}\right)}{V^{\frac{1}{3}}}---\left(5\right)$

4.3.3)對波動函數施加約束：

燃油液面波動約束為：

F_標為工程實際給出的燃油測量允許誤差，取為5％；

5)迭代優化：

使用有限差分法分別求出目標函數與約束函數對各個變量的偏導數；將步驟3)、步驟4)中的目標函數值、約束函數值以及它們對各個變量的偏導數帶入優化算法——移動漸近線法(MMA)中，迭代更新變量，直至目標函數t_平衡在滿足約束條件的情況下收斂為止；此時獲得小充液比工況下油箱隔板的串油孔布局；

6)中充液比油箱隔板設計：

定義50％充液比為中充液比工況；保持上述小充液比工況下得到的串油孔布局不變，重復利用步驟2)-步驟5)獲得中充液比工況下的串油孔布局；

7)大充液比油箱隔板設計：

定義70％充液比為大充液比工況；保持中充液比工況下得到的串油孔布局不變，重復利用步驟2)-步驟5)獲得大充液比工況下的串油孔布局；

8)適應性處理：

按照生產工藝要求圓整串油孔布局，從而獲得串油孔最終布局。