[發明專利]一種單支點柔壁噴管型面曲線設計方法

在審

• 申請號: 202210734384.4
• 申請日: 2022-06-27
• 公開（公告）號: CN115130299A
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 李志;師巖;祁陸喬
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/12;G06F119/02
• 代理公司: 北京細軟智谷知識產權代理有限責任公司 11471
• 代理人: 趙越

本申請公開了單支點柔壁噴管型面曲線設計方法。該方法包括獲取單支點柔壁噴管的設計參數和目標型面曲線；根據設計參數確定支桿參數的初始值；利用MAPLE軟件編寫型面曲線計算程序，將單支點柔壁噴管的設計參數和支桿參數的初始值代入型面曲線計算程序，計算出型面曲線；將目標型面曲線與型面曲線作差，得到型面曲線偏差；當型面曲線偏差大于型面曲線最大偏差時，根據型面曲線偏差調整支桿參數的數值，重復利用MAPLE軟件進行迭代計算，直到得到型面曲線與目標型面曲線之間的型面曲線偏差小于型面曲線最大偏差，此時得到型面曲線。本發明不使用有限元建模仿真的過程，具有設計周期短的優點；根據歐拉?伯努利梁大變形理論推導的橢圓積分求解，保證了求解精度。

技術領域

本申請涉及風洞中單支點柔壁噴管設計技術領域，尤其涉及一種單支點柔壁噴管型面曲線設計方法。

背景技術

噴管是跨聲速風洞的重要組成部分，它的功能是將流體的流速調整成特定的馬赫數以便用于試驗測試。傳統的噴管設計成上下對稱的流線型薄壁，噴管的壁面無法發生變形。對于每一種馬赫數流速的工況，都有特定的噴管與之對應，試驗前需更換成對應的噴管，給試驗帶來諸多不便。為了解決這一弊端，提高試驗效率，改善試驗環境，逐漸出現了無需更換噴管，僅依靠自身變形或移動就可以調節馬赫數的技術。該技術可以做到連續調節馬赫數的功能，只需一個噴管就能提供多種馬赫數的流體。實現可變流體馬赫數噴管的方法有很多，最典型的有兩種：一種是上下壁面不對稱放置，依靠彼此之間的相對剛體位移來調節噴管的口徑，從而達到調節馬赫數的目的，該噴管示意圖如圖1所示；一種是上下對稱的柔板設計，噴管本身可以在外載的作用下發生變形，通過調整上下壁面的型面曲線就能實現對馬赫數的調節，如圖2所示。前者對于設計的要求十分嚴苛，由于噴管本身不會發生變形，壁面如何設計，壁面間該如何移動就變得極為關鍵，必須優化好噴管的型面，通過復雜的計算獲取相對運動與馬赫數的關系，設計難度極大。而后者實現起來相對容易，成為噴管設計的主流。柔壁噴管通過多個支桿的共同作用使上下壁面發生對稱的形變，從而獲取與馬赫數對應的目標型面曲線。因此只需要給定支桿的數量和對應位置以及每個支桿的伸長量，就可以完成對噴管的設計。柔壁噴管中最簡單的形式是單支桿柔壁噴管，通過單個支桿的作用使柔壁發生變形，不僅操作簡單，效率也高，能夠快速調節馬赫數。

目前，單支桿柔壁噴管型面設計主要用到的方法是有限元建模仿真、經驗公式和工程簡化相結合的方法。單支桿柔壁噴管設計中用到的有限元仿真是相對成熟的方法，用得最多的是計算流體動力學軟件，該類軟件用于求解流體的流動行為和流固耦合問題，而對于分析柔壁的變形和應力，需要用到帶有固體力學模塊的有限元去仿真，像ABAQUS和ANSYS等。由于柔壁噴管的結構復雜，工況甚多，并且對于不同類型的噴管都需要單獨建模，因此不管是何種類型的有限元軟件，都需要很長的建模周期，而且有限元中對于模型的簡化也可能影響結果的精度。通過理論去求解柔壁噴管的型面曲線往往采用的方法是多項式擬合的方法，對于小變形問題直接用線彈性理論，對于大變形情況采用分段線性方法或者三次函數擬合。這些方法雖然一定程度上給計算帶來了便利，但是對柔壁噴管在大變形情況下的預測顯然是不精確的。經驗公式和工程簡化都是依靠經驗做出的判斷在大多數情況下可能是適用的，但由于缺乏理論指導，尤其是現有模型是之前沒遇到過的，很容易存在經驗公式與實際不符的情況。

發明內容

本申請實施例提供一種單支點柔壁噴管型面曲線設計方法，針對以上有限元建模仿真方法的設計周期長，經驗公式和工程簡化相結合的方法精準度小的弊端。從大變形梁的理論出發，推導了單支點柔壁的控制方程，并表示成為橢圓積分形式，通過求解橢圓積分方程組獲取單支點柔壁噴管的型面曲線，求解的過程借助數學軟件MAPLE/MATLAB來實現，達到快速計算和設計單支點柔壁噴管型面曲線的目的。

第一方面，本申請實施例提供一種單支點柔壁噴管型面曲線設計方法，包括：

獲取單支點柔壁噴管的設計參數；

根據設計參數確定支桿參數的初始值；

獲取目標型面曲線；