[發(fā)明專利]基于光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)的飛機(jī)油箱串油特性優(yōu)化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611139740.9
• 申請(qǐng)日: 2016-12-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106777662B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-04-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李寶童;洪軍;劉宏磊;高坤;唐文豪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/15
• 分類號(hào): G06F30/15;G06F111/04
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 賀建斌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于飛機(jī)油箱內(nèi)隔板串油孔布局設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及基于光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)的飛機(jī)油箱串油特性優(yōu)化方法。

技術(shù)背景

為了在不破壞氣動(dòng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提升飛機(jī)續(xù)航能力，設(shè)計(jì)師們往往選擇將結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、空間可利用性較差的部分作為燃油存放區(qū)域，其中最為典型的即為機(jī)翼油箱布局；為了在飛行過(guò)程中抑制油體運(yùn)動(dòng)，方便油量測(cè)定，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，油箱中一般會(huì)設(shè)置若干隔板；同時(shí)為降低飛機(jī)質(zhì)量，方便人工檢修，使得大過(guò)載運(yùn)動(dòng)后油體質(zhì)心盡快恢復(fù)至平衡狀態(tài)，油箱隔板需開(kāi)孔以保證各個(gè)隔艙間的連通；傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中通常不考慮油體流動(dòng)問(wèn)題，串油孔極大，串油性能過(guò)度冗余，既降低了對(duì)油體波動(dòng)的抑制，對(duì)大飛機(jī)動(dòng)輒數(shù)十噸的燃油而言意味著飛行穩(wěn)定性嚴(yán)重下降，同時(shí)也降低了承力結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，導(dǎo)致飛機(jī)質(zhì)量增加。對(duì)于油箱內(nèi)燃油流動(dòng)問(wèn)題，國(guó)際同行們的工作鮮有報(bào)道，常用的流體模擬方法對(duì)自由液面波動(dòng)、破碎的仿真能力較弱，運(yùn)算消耗極大，對(duì)飛機(jī)油箱中可能存在的劇烈流動(dòng)問(wèn)題適應(yīng)性不理想。

發(fā)明內(nèi)容

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供基于光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)的飛機(jī)油箱串油特性優(yōu)化方法，使用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)知識(shí)(以下簡(jiǎn)稱為“SPH”)模擬液體流動(dòng)，可以較好地模擬液體自由液面的破碎行為，同時(shí)降低運(yùn)算量，為迭代優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造可能。

為達(dá)到上述目標(biāo)，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

基于光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)的飛機(jī)油箱串油特性優(yōu)化方法，包括以下步驟：

1)小充液比油箱隔板設(shè)計(jì)：

隨著油箱充液比逐漸減小，燃油液面晃動(dòng)幅度與平復(fù)時(shí)間將逐漸變大，以受影響最大的小充液比工況為優(yōu)先設(shè)計(jì)工況，定義工程設(shè)計(jì)中常用的30％充液比為小充液比工況；

2)確定設(shè)計(jì)變量

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

3)確定目標(biāo)函數(shù)——平衡時(shí)長(zhǎng)t_平衡：

以串油性能最佳為優(yōu)化目標(biāo)，將燃油質(zhì)心開(kāi)始波動(dòng)到波動(dòng)強(qiáng)度衰減至可接受值B_{標(biāo)準(zhǔn)}所用的時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為衡量串油性能的指標(biāo)，命名為平衡時(shí)長(zhǎng)t_平衡，平衡時(shí)長(zhǎng)t_平衡即為關(guān)于設(shè)計(jì)變量的目標(biāo)函數(shù)；

定義外界激勵(lì)結(jié)束時(shí)刻為初始時(shí)刻，從初始時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)，定義經(jīng)過(guò)平衡時(shí)長(zhǎng)t_平衡后燃油的狀態(tài)為平衡狀態(tài)，此時(shí)為時(shí)刻T_平衡；

平衡時(shí)長(zhǎng)t_平衡具體求解步驟如下：

3.1)利用SPH方法求解運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：

利用SPH方法計(jì)算出任意時(shí)刻燃油所有微粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括任意時(shí)刻各個(gè)微粒的位置、速度、加速度、壓強(qiáng)、密度；

3.2)建立平衡函數(shù)并求出平衡時(shí)長(zhǎng)t_平衡：

3.2.1)計(jì)算質(zhì)心位置：

依據(jù)步驟3.1)獲得的所有微粒的位置坐標(biāo)計(jì)算出任意時(shí)刻這些微粒所共同構(gòu)建的燃油整體的質(zhì)心坐標(biāo)

3.2.2)定義平衡無(wú)流動(dòng)狀態(tài)：

定義一個(gè)對(duì)比流體，其粘度系數(shù)為燃油粘度的10倍，其它參數(shù)一致，利用SPH方法計(jì)算對(duì)比流體的微粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；記錄初始時(shí)刻該對(duì)比流體所有微粒加速度大小之和，其后隨著時(shí)間的推進(jìn)，當(dāng)對(duì)比流體中所有微粒的加速度大小之和為初始時(shí)刻的1％時(shí)，定義流體此時(shí)的狀態(tài)為平衡無(wú)流動(dòng)狀態(tài)；

3.2.3)構(gòu)建平衡函數(shù)：

設(shè)定油箱共有l(wèi)個(gè)隔艙，定義第e號(hào)隔艙t時(shí)刻燃油質(zhì)心為其平衡無(wú)流動(dòng)狀態(tài)下質(zhì)心為定義平衡函數(shù)為t時(shí)刻所有隔艙流體質(zhì)心相對(duì)于平衡無(wú)流動(dòng)狀態(tài)下質(zhì)心的波動(dòng)強(qiáng)度：

上式中，為t時(shí)刻所有隔艙燃油質(zhì)心相對(duì)于平衡無(wú)流動(dòng)狀態(tài)下質(zhì)心的平均波動(dòng)幅值，V為燃油總體積；此時(shí)，平衡函數(shù)表征t時(shí)刻所有隔艙中燃油質(zhì)心的波動(dòng)強(qiáng)度，為無(wú)量綱量；

3.2.4)計(jì)算平衡時(shí)長(zhǎng)t_平衡：

記錄平衡函數(shù)隨時(shí)間變化產(chǎn)生的波峰及波谷，在不引入新外界激勵(lì)的條件下，如果連續(xù)波峰或波谷連續(xù)三次低于標(biāo)準(zhǔn)值B_{標(biāo)準(zhǔn)}，則取初始時(shí)刻到第一次低于B_{標(biāo)準(zhǔn)}的波峰或波谷對(duì)應(yīng)的時(shí)刻所用的時(shí)長(zhǎng)為平衡時(shí)長(zhǎng)t_平衡；B_{標(biāo)準(zhǔn)}取為5％；如果系統(tǒng)中出現(xiàn)新的外界激勵(lì)，則以新激勵(lì)結(jié)束時(shí)為初始時(shí)刻，重新計(jì)時(shí)；