[發(fā)明專利]一種考慮氣動和結(jié)構(gòu)多類型設(shè)計變量的機(jī)翼設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811601175.2
• 申請日: 2018-12-26
• 公開（公告）號: CN109711048B
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王曉軍;丁旭云;倪博文;李豪;羅振先;黃勇
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/15
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 安麗;成金玉

本發(fā)明公開了一種考慮氣動和結(jié)構(gòu)多類型設(shè)計變量的機(jī)翼設(shè)計方法，首先根據(jù)氣動設(shè)計過程得到的外形控制變量，利用三維類別/形狀函數(shù)構(gòu)建參數(shù)化外形，獲取氣動外形點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)，并在外形點(diǎn)的基礎(chǔ)上生成光滑氣動外形曲面；通過拾取機(jī)翼結(jié)構(gòu)樹中的可控設(shè)計變量，實(shí)現(xiàn)給定外形下的機(jī)翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置；利用以RBF插值代表的鄰域插值技術(shù)，以氣動外形為約束，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)布置與外形參數(shù)的高效隨動匹配；通過文件定位解析的方法，針對不同類型設(shè)計變量在模型樹上存在的獨(dú)立或依存關(guān)系，最終完成氣動/結(jié)構(gòu)學(xué)科耦合作用下的三維機(jī)翼設(shè)計。本發(fā)明兼顧了氣動/結(jié)構(gòu)兩個學(xué)科的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了模型的聯(lián)動更新，具有通用性強(qiáng)、適用廣泛方便的特點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及有翼飛行器的空氣動力學(xué)學(xué)科和結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)科的綜合建模技術(shù)，特別涉及考慮將類別/形狀函數(shù)技術(shù)、軟件二次開發(fā)技術(shù)結(jié)合起來的三維機(jī)翼外部和內(nèi)部形態(tài)表征技術(shù)以及基于鄰域轉(zhuǎn)換插值技術(shù)的機(jī)翼外形/結(jié)構(gòu)協(xié)同變化，以獲得滿足多學(xué)科、多物理場分析的多類型設(shè)計變量的高效高精度參數(shù)化模型。

背景技術(shù)

在航空航天飛行器的氣動外形設(shè)計中，參數(shù)化的氣動外形模型是氣動優(yōu)化設(shè)計、氣動指標(biāo)分析的基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)的設(shè)計思路中，一方面以翼型庫數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過翼型選型、翼型厚度等參數(shù)控制展向不同位置處的氣動截面，另一方面利用商業(yè)軟件如CATIA等，借助總體外形參數(shù)和相應(yīng)的引導(dǎo)線控制多截面曲面的生成，從而得到真實(shí)的三維機(jī)翼。然而，這種做法存在一定程度上的不足。由于真實(shí)三維機(jī)翼進(jìn)行氣動優(yōu)化時需要巨大的計算資源消耗以及對于一些重要設(shè)計參數(shù)(如機(jī)翼的扭轉(zhuǎn)、上反分布參數(shù)、翼型前緣半徑和后緣厚度等)需要重點(diǎn)關(guān)注，傳統(tǒng)的設(shè)計思想難以同時控制參數(shù)數(shù)目與曲面精度，在操作效率和方便程度上也有所欠缺，這些存在的問題給氣動設(shè)計人員的工作帶來了一定的限制。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，由于建模內(nèi)容的不同以及不同學(xué)科數(shù)據(jù)類型與格式的不一致，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程往往與氣動學(xué)科的相關(guān)分析與設(shè)計相互獨(dú)立，需要依賴于外形輸入來重新考慮和設(shè)計原有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這一點(diǎn)在飛機(jī)的總體設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計階段都在很大程度上影響了迭代設(shè)計過程中模型修改的難度和效率。盡管隨著商業(yè)軟件的快速發(fā)展，已經(jīng)在一定程度上簡化和降低了建模的復(fù)雜性和難度，但是與氣動/結(jié)構(gòu)雙學(xué)科的耦合建模以及針對特定部件結(jié)構(gòu)的建模相關(guān)的技術(shù)仍然存在著較多的難點(diǎn)，尤其在實(shí)際設(shè)計過程中，重復(fù)性質(zhì)修改與建模總是會極大的影響設(shè)計人員的工作效率與產(chǎn)出。

為了克服氣動-結(jié)構(gòu)綜合建模過程中存在的一些技術(shù)瓶頸，目前的發(fā)展趨勢是針對二維翼型采用以類別/形狀函數(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)形式描述以及借助包括徑向基插值技術(shù)在內(nèi)的鄰域插值技術(shù)來處理相關(guān)的氣動外形的變形問題。然而必須要指出的是，一方面，真實(shí)的三維機(jī)翼不能簡單地以某幾個截面拓展得到的直紋面來代替，并且在實(shí)際的設(shè)計迭代流程中，如何從歷代產(chǎn)品或通用模型中提取出關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)以及如何按照實(shí)驗對于某些部位的外形要求快速調(diào)整機(jī)翼模型，這些問題都是現(xiàn)存方法難以解決的；另一方面，針對代表性的機(jī)翼結(jié)構(gòu)，如何在現(xiàn)有條件下最大限度的減少重復(fù)建模的工作量以及如何根據(jù)不同的外形輸入高效調(diào)整結(jié)構(gòu)有限元模型，現(xiàn)有的技術(shù)還沒有對此進(jìn)行完整性的針對性的考慮。正是因為工程實(shí)際中存在這些問題，以三維CST技術(shù)、鄰域插值技術(shù)為代表的相關(guān)研究才逐步開展起來。進(jìn)而，針對實(shí)際三維機(jī)翼，確定從二維截面向三維實(shí)體模型擴(kuò)展過程中的具體數(shù)學(xué)形式，完善特征結(jié)構(gòu)建模的二次開發(fā)技術(shù)以及建立多場條件下數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和插值機(jī)制都將是氣動-結(jié)構(gòu)綜合建模過程中的關(guān)鍵突破點(diǎn)，對于形成和完善考慮氣動/結(jié)構(gòu)設(shè)計變量的機(jī)翼設(shè)計方法具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服傳統(tǒng)氣動設(shè)計方法在效率和精度上的不足以及氣動/結(jié)構(gòu)綜合建模在聯(lián)接關(guān)系上的缺陷和低效，將三維CST方法的高效合理、軟件二次開發(fā)技術(shù)的簡單方便以及鄰域插值技術(shù)的快速準(zhǔn)確結(jié)合起來，針對工程實(shí)際中不同的機(jī)翼選型，提供一種考慮多類型設(shè)計變量的機(jī)翼氣動-結(jié)構(gòu)綜合參數(shù)確定方法，既實(shí)現(xiàn)了氣動外形的高效解析化，同時通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)和氣動外形的耦合隨動變化實(shí)現(xiàn)了氣動和結(jié)構(gòu)兩個學(xué)科耦合設(shè)計，對工程實(shí)際有很好的指導(dǎo)意義。

本發(fā)明技術(shù)解決方案：一種考慮氣動和結(jié)構(gòu)多類型設(shè)計變量的機(jī)翼設(shè)計方法，實(shí)現(xiàn)步驟如下：