[發明專利]考慮三維因素的短艙進氣道設計幾何參數化方法

在審

• 申請號: 202110471565.8
• 申請日: 2021-04-29
• 公開（公告）號: CN113127994A
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發明（設計）人: 王舒悅;曹晨;王聰;王立悅;張浩;王愷迪;孫剛
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/28;G06F111/04;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

本發明涉及一種考慮三維因素的短艙進氣道設計幾何參數化方法，首先面向短艙進氣道的優化，建立基于三維幾何約束的設計空間，然后利用本征正交分解方法，最后求解得到生成面向問題的新設計變量；本發明建立基于三維幾何約束的設計空間，利用本征正交分解方法生成面向新型進氣道幾何參數化描述，得到新型設計變量。采用此種短艙進氣道幾何參數化方法，可以引入更多的三維考量，在短艙進氣道形狀的設計中具有應用前景。本發明在短艙進氣道設計幾何參數化方法中，更加直接地滿足三維幾何約束與三維幾何意義，避免設計維度的劇增而提高優化效率，具備定量可靠的數學推導，減小對設計者經驗的依賴。

技術領域

本發明屬于機械設計技術領域，具體涉及一種考慮三維因素的短艙進氣道設計幾何參數化方法。

背景技術

在大迎角起飛時，風扇進口的零壓力畸變對于短艙進氣道設計是必要的。良好的短艙進氣道形狀設計使通過進口的氣流在風機進口處不會產生壓力畸變。如圖1上部所示，傳統的短艙進氣道的形狀通常是通過構造“骨架”組成的幾個二維流向剖面(如在典型的圓周位置0°、90°和180°)以及一些周向曲線整合為一個三維表面。在這種將短艙進氣道的三維設計簡化為幾個二維剖面的設計中，由于剖面相互之間有作用，很難給出每個剖面充分的幾何約束(所有剖面所受到設計方面限制的總和必然大于對短艙整體設計的實際限制)，而且將氣動性能要求分解到每個剖面上進行優化，不利于發動短艙的整體三維設計。另一種解決方案是為了三維幾何因素，在優化過程中考慮所有剖面，但這導致“維度災難”，使優化效率低下。因此，在短艙進氣道設計幾何參數化方法中，找到滿足三維幾何約束并且具有三維幾何意義的設計變量生成方法，十分重要。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種考慮三維因素的短艙進氣道設計幾何參數化方法。如圖1所示，帶有約束的設計空間能夠反映與優化問題有關的信息，例如帕累托潛在的前沿優化趨勢，優化的關鍵幾何特征，性能改進的極限，優化方向指導。因此，如圖2所示，這些信息可用于指導新型設計變量的產生，在上述過程中引入了更多的幾何三維全局信息。在選擇按特征值排序的獲得模態時，問題的維數降低，不是因為簡單的幾何分離，這對于更好的設計是不自然的。在短艙進氣道設計變量的新框架下，隨后的優化能夠利用更多的幾何三維以及經濟地使用數據來執行。

本發明提出的考慮三維因素的短艙進氣道設計幾何參數化方法，具體步驟如下：首先面向短艙進氣道的優化，建立基于三維幾何約束的設計空間，然后利用本征正交分解方法，最后求解得到生成面向問題的新設計變量；

(1)建立基于三維幾何約束的設計空間

首先對短艙剖面曲線的幾何參數進行充分采樣，建立一個三維短艙進氣道形狀樣本庫，所述幾何參數通過Class-Shape Transformation方法(CST)獲得，設計空間的建立方法適應用于任意幾何參數；所述的幾何樣本庫必須滿足設定的三維約束條件(例如：三維短艙本身的氣動性能要求、其體積約束、凸起(即進氣道表面較厚區域的分布)、曲率分布等)；如果采樣的幾何形狀樣本庫不滿足設定的三維約束條件，則將其過濾掉；

(2)利用本征正交分解(POD)方法處理樣本

對于步驟(1)得到的滿足三維約束條件的樣本庫采用POD方法，表示短艙進氣道三維形式模態的CST參數組合，所述CST參數組合為基于一個由設計變量組合形成的矩陣Z，該矩陣Z中的第i行記為z⁽ⁱ⁾，每一行矩陣均為10個描述一組短艙剖面曲線的對應CST參數的集合；i不僅是Z的行數，同時也是上述充分采樣得到的形狀樣本庫中的樣本序號，表示某一發動機進氣道表面形狀；然后對矩陣Z進行處理：

如式(1)所示，對于矩陣z的每一行數據z⁽ⁱ⁾，將其中CST參數的平均值部分刪除，為下一步進行奇異值分解(Singular Value Decomposition,SVD)數學處理做準備；為矩陣Z的初始數據中的第i行，為矩陣Z每一行的平均值，為處理后等待奇異值分解的矩陣Z的第i行；然后，進行奇異值分解：