一种直升机涵道尾桨内壁面外形确定方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种直升机涵道尾桨内壁面外形确定方法及系统。该方法包括：利用三阶伯恩斯坦多项式方法对基准壁面外形进行拟合，得到基准壁面外形模型；采用拉丁超立方设计方法生成多个样本；确定每个样本对应的涵道内壁面外形；确定每个样本对应的涵道尾桨的三维网格模型；采用动量源法对涵道尾桨桨叶的旋转运动进行模拟，得到每个样本对应的涵道尾桨的三维网格模型中每个网格单元的守恒变量；确定每个样本对应的涵道尾桨的拉力系数、功率系数和悬停效率；采用克里金模型和EI加点策略，进行多目标参数优化，得到最优个体参数；确定直升机涵道尾桨内壁面最优外形。本发明专利技术可以提高额定拉力下的悬停效率并降低功率消耗，进而提高直升机的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种直升机涵道尾桨内壁面外形确定方法及系统
本专利技术涉及涵道尾桨设计领域，特别是涉及一种直升机涵道尾桨内壁面外形确定方法及系统。
技术介绍
相比于直升机常规尾桨，由于涵道尾桨涵道壁的遮蔽效应，涵道尾桨的噪声与隐身性能都得到明显提升，且涵道尾桨的气动性能比常规尾桨更加优秀。同时，涵道尾桨对于恶劣的飞行环境的适应能力更强，尾桨桨叶的损耗更小，且地面人员的受伤风险更低。但是，涵道尾桨也存在缺点，如采用涵道尾桨技术的直升机在悬停时所需功率较大，由于涵道体积受到限制直接影响了桨叶直径的大小，导致其综合效率较低。目前，国内主要采用涵道尾桨技术的直升机有直-9、直-19，其中直-9涵道尾桨为我国于1980年引进法国SA-365N1“海豚”直升机并研制生产的轻型多用途直升机，而直-19对直-9涵道尾桨技术进行了继承并针对降低噪声等级的要求进行了非对称桨叶布局设计，然而目前国内使用的直升机涵道尾桨并未针对涵道外形进行改进。而涵道尾桨在悬停状态下，涵道产生的附加拉力能够与桨叶产生的拉力持平，即能够达到涵道尾桨总拉力的50％左右，因此对涵道壁面外形进行优化设计在提升涵道尾桨性能方面具有重要作用。国内外针对涵道类航空飞行器的外形设计开展了许多研究工作，如涵道风扇、涵道涡扇发动机等，其中针对涵道壁面外形设计的工作中多以涵道剖面外形控制点方法对壁面外形进行描述，且目前国内外对于涵道尾桨的涵道外形研究主要是针对唇口半径、扩散角等单一外形特征开展。而直升机涵道尾桨的工作环境与小型涵道飞行器相比更加复杂，性能要求更高，涵道尾桨的唇口面积更大，无论是以单纯的圆弧半径或是几个控制点都无法对唇口外形进行准确描述，因此无法对直升机涵道尾桨的涵道内壁面外形进行优化设计，导致直升机涵道尾桨的内壁面外形无法进一步提升直升机的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种直升机涵道尾桨内壁面外形确定方法及系统，以提高额定拉力下的悬停效率并降低功率消耗，进而提高直升机的性能。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种直升机涵道尾桨内壁面外形确定方法，包括：利用三阶伯恩斯坦多项式方法对基准壁面外形进行拟合，得到基准壁面外形模型；所述基准壁面外形为已知型号的涵道尾桨的涵道内壁面外形；采用拉丁超立方设计方法生成多个样本；所述样本为参数组合，每个参数组合包括6个样本参数，每个样本参数均为0～1之间的随机数；根据所述样本和所述基准壁面外形模型，确定每个样本对应的涵道内壁面外形；根据每个样本对应的涵道内壁面外形，确定每个样本对应的涵道尾桨的三维网格模型；根据每个样本对应的涵道尾桨的三维网格模型，采用动量源法对涵道尾桨桨叶的旋转运动进行模拟，得到每个样本对应的涵道尾桨的三维网格模型中每个网格单元的守恒变量；所述守恒变量包括空气密度、x方向速度分量、y方向速度分量、z方向速度分量和总能量；根据每个样本对应的涵道尾桨的三维网格模型中每个网格单元的守恒变量，确定每个样本对应的涵道尾桨的拉力系数、功率系数和悬停效率；根据每个样本对应的涵道尾桨的拉力系数、功率系数和悬停效率，采用克里金模型和EI加点策略，对所有样本和非样本进行多目标参数优化，得到最优个体参数；所述最优个体参数为最优的参数组合；所述多目标优化的多个目标为：样本对应的涵道尾桨的拉力系数比基准壁面外形对应的涵道尾桨的拉力系数大、样本对应的涵道尾桨的功率系数比基准壁面外形对应的涵道尾桨的功率系数小以及样本对应的涵道尾桨的悬停效率比基准壁面外形对应的涵道尾桨的悬停效率大；根据所述最优个体参数和所述基准壁面外形模型，确定直升机涵道尾桨内壁面最优外形。可选的，所述利用三阶伯恩斯坦多项式方法对基准壁面外形进行拟合，得到基准壁面外形模型，具体包括：根据基准壁面外形的参数，利用三阶伯恩斯坦多项式方法对基准壁面外形的唇口段进行拟合；根据唇口段的拟合结果，确定所述基准壁面外形模型；所述基准壁面外形模型为：其中，yN1表示基准壁面外形的纵坐标，xN1表示基准壁面外形的横坐标，l为唇口段的轴向长度，AiN1为伯恩斯坦多项式参数，i＝0,1,2,3。可选的，所述根据所述样本和所述基准壁面外形模型，确定每个样本对应的涵道内壁面外形，具体包括：根据所述样本和所述基准壁面外形模型中的伯恩斯坦多项式参数，确定每个样本对应的伯恩斯坦多项式参数；对于第j个样本，对应的伯恩斯坦多项式参数为其中，第j个样本为为基准壁面外形模型中的伯恩斯坦多项式参数，f表示转换函数；根据所述样本、所述基准壁面外形模型和每个样本对应的伯恩斯坦多项式参数，确定每个样本对应的涵道内壁面外形；对于第j个样本，对应的涵道内壁面外形为：其中，yj表示第j个样本对应的涵道内壁面外形的纵坐标，xj表示第j个样本对应的涵道内壁面外形的横坐标。可选的，所述根据每个样本对应的涵道内壁面外形，确定每个样本对应的涵道尾桨的三维网格模型，具体包括：根据每个样本对应的涵道内壁面外形，采用求解泊松方程，生成每个样本对应的围绕涵道尾桨涵道体与中心体剖面的二维O型结构网格；对所述二维O型结构网格绕Y轴进行旋转与插值处理，生成围绕涵道尾桨的三维圆柱网格，得到每个样本对应的包含涵道内壁面外形的涵道尾桨的三维网格模型。可选的，所述根据每个样本对应的涵道尾桨的拉力系数、功率系数和悬停效率，采用克里金模型和EI加点策略，对所有样本和非样本进行多目标参数优化，得到最优个体参数，具体包括：根据每个样本对应的涵道尾桨的拉力系数、功率系数和悬停效率，采用克里金模型和EI加点策略，确定未知点的拉力系数预测值、功率系数预测值和悬停效率预测值；所述未知点包括样本点和非样本点；所述未知点的拉力系数预测值、功率系数预测值和悬停效率预测值分别为：其中，为第j个样本，x为未知点，ft为未知点和拉力系数预测值之间的映射关系，YT为所有样本对应的拉力系数组成的向量，YT＝[CT1CT2…CTns]T；ns为样本个数；fq为未知点和功率系数预测值之间的映射关系，YQ为所有样本对应的功率系数组成的向量，YQ＝[CQ1CQ2…CQns]T；fm为未知点和悬停效率预测值之间的映射关系，YM为所有样本对应的悬停效率组成的向量，YM＝[FM1FM2…FMns]T；根据未知点的拉力系数预测值、功率系数预测值和悬停效率预测值，利用NSGA-II算法对所有未知点进行多目标参数优化，得到最优个体参数。可选的，所述根据所述最优个体参数和所述基准壁面外形模型，确定直升机涵道尾桨内壁面最优外形，具体包括：根据所述最优个体参数和所述基准壁面外形模型中的伯恩斯坦多项式参数，利用公式确定所述最优个体参数对应的伯恩斯坦多项式参数其中，所述最优个体参数为为基准壁面外形模型中的伯恩斯坦多项式参数，f表示转换函数；根据所述最优个体参数、所述基准壁面外形模型和所述最优个体参数对应的伯恩斯坦多项式参数，确定直升机涵道尾桨内壁面最优外形；所述直升机涵道尾桨内壁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种直升机涵道尾桨内壁面外形确定方法，其特征在于，包括：/n利用三阶伯恩斯坦多项式方法对基准壁面外形进行拟合，得到基准壁面外形模型；所述基准壁面外形为已知型号的涵道尾桨的涵道内壁面外形；/n采用拉丁超立方设计方法生成多个样本；所述样本为参数组合，每个参数组合包括6个样本参数，每个样本参数均为0～1之间的随机数；/n根据所述样本和所述基准壁面外形模型，确定每个样本对应的涵道内壁面外形；/n根据每个样本对应的涵道内壁面外形，确定每个样本对应的涵道尾桨的三维网格模型；/n根据每个样本对应的涵道尾桨的三维网格模型，采用动量源法对涵道尾桨桨叶的旋转运动进行模拟，得到每个样本对应的涵道尾桨的三维网格模型中每个网格单元的守恒变量；所述守恒变量包括空气密度、x方向速度分量、y方向速度分量、z方向速度分量和总能量；/n根据每个样本对应的涵道尾桨的三维网格模型中每个网格单元的守恒变量，确定每个样本对应的涵道尾桨的拉力系数、功率系数和悬停效率；/n根据每个样本对应的涵道尾桨的拉力系数、功率系数和悬停效率，采用克里金模型和EI加点策略，对所有样本和非样本进行多目标参数优化，得到最优个体参数；所述最优个体参数为最优的参数组合；所述多目标优化的多个目标为：样本对应的涵道尾桨的拉力系数比基准壁面外形对应的涵道尾桨的拉力系数大、样本对应的涵道尾桨的功率系数比基准壁面外形对应的涵道尾桨的功率系数小以及样本对应的涵道尾桨的悬停效率比基准壁面外形对应的涵道尾桨的悬停效率大；/n根据所述最优个体参数和所述基准壁面外形模型，确定直升机涵道尾桨内壁面最优外形。/n...

【技术特征摘要】
1.一种直升机涵道尾桨内壁面外形确定方法，其特征在于，包括：
利用三阶伯恩斯坦多项式方法对基准壁面外形进行拟合，得到基准壁面外形模型；所述基准壁面外形为已知型号的涵道尾桨的涵道内壁面外形；
采用拉丁超立方设计方法生成多个样本；所述样本为参数组合，每个参数组合包括6个样本参数，每个样本参数均为0～1之间的随机数；
根据所述样本和所述基准壁面外形模型，确定每个样本对应的涵道内壁面外形；
根据每个样本对应的涵道内壁面外形，确定每个样本对应的涵道尾桨的三维网格模型；
根据每个样本对应的涵道尾桨的三维网格模型，采用动量源法对涵道尾桨桨叶的旋转运动进行模拟，得到每个样本对应的涵道尾桨的三维网格模型中每个网格单元的守恒变量；所述守恒变量包括空气密度、x方向速度分量、y方向速度分量、z方向速度分量和总能量；
根据每个样本对应的涵道尾桨的三维网格模型中每个网格单元的守恒变量，确定每个样本对应的涵道尾桨的拉力系数、功率系数和悬停效率；
根据每个样本对应的涵道尾桨的拉力系数、功率系数和悬停效率，采用克里金模型和EI加点策略，对所有样本和非样本进行多目标参数优化，得到最优个体参数；所述最优个体参数为最优的参数组合；所述多目标优化的多个目标为：样本对应的涵道尾桨的拉力系数比基准壁面外形对应的涵道尾桨的拉力系数大、样本对应的涵道尾桨的功率系数比基准壁面外形对应的涵道尾桨的功率系数小以及样本对应的涵道尾桨的悬停效率比基准壁面外形对应的涵道尾桨的悬停效率大；
根据所述最优个体参数和所述基准壁面外形模型，确定直升机涵道尾桨内壁面最优外形。


2.根据权利要求1所述的直升机涵道尾桨内壁面外形确定方法，其特征在于，所述利用三阶伯恩斯坦多项式方法对基准壁面外形进行拟合，得到基准壁面外形模型，具体包括：
根据基准壁面外形的参数，利用三阶伯恩斯坦多项式方法对基准壁面外形的唇口段进行拟合；
根据唇口段的拟合结果，确定所述基准壁面外形模型；所述基准壁面外形模型为：



其中，yN1表示基准壁面外形的纵坐标，xN1表示基准壁面外形的横坐标，l为唇口段的轴向长度，AiN1为伯恩斯坦多项式参数，i＝0,1,2,3。


3.根据权利要求2所述的直升机涵道尾桨内壁面外形确定方法，其特征在于，所述根据所述样本和所述基准壁面外形模型，确定每个样本对应的涵道内壁面外形，具体包括：
根据所述样本和所述基准壁面外形模型中的伯恩斯坦多项式参数，确定每个样本对应的伯恩斯坦多项式参数；对于第j个样本，对应的伯恩斯坦多项式参数为其中，第j个样本为为基准壁面外形模型中的伯恩斯坦多项式参数，f表示转换函数；
根据所述样本、所述基准壁面外形模型和每个样本对应的伯恩斯坦多项式参数，确定每个样本对应的涵道内壁面外形；对于第j个样本，对应的涵道内壁面外形为：



其中，yj表示第j个样本对应的涵道内壁面外形的纵坐标，xj表示第j个样本对应的涵道内壁面外形的横坐标。


4.根据权利要求2所述的直升机涵道尾桨内壁面外形确定方法，其特征在于，所述根据每个样本对应的涵道内壁面外形，确定每个样本对应的涵道尾桨的三维网格模型，具体包括：
根据每个样本对应的涵道内壁面外形，采用求解泊松方程，生成每个样本对应的围绕涵道尾桨涵道体与中心体剖面的二维O型结构网格；
对所述二维O型结构网格绕Y轴进行旋转与插值处理，生成围绕涵道尾桨的三维圆柱网格，得到每个样本对应的包含涵道内壁面外形的涵道尾桨的三维网格模型。


5.根据权利要求2所述的直升机涵道尾桨内壁面外形确定方法，其特征在于，所述根据每个样本对应的涵道尾桨的拉力系数、功率系数和悬停效率，采用克里金模型和EI加点策略，对所有样本和非样本进行多目标参数优化，得到最优个体参数，具体包括：
根据每个样本对应的涵道尾桨的拉力系数、功率系数和悬停效率，采用克里金模型和EI加点策略，确定未知点的拉力系数预测值、功率系数预测值和悬停效率预测值；所述未知点包括样本点和非样本点；所述未知点的拉力系数预测值、功率系数预测值和悬停效率预测值分别为：



其中，为第j个样本，x为未知点，ft为未知点和拉力系数预测值之间的映射关系，YT为所有样本对应的拉力系数组成的向量，YT＝[CT1CT2…CTns]T；ns为样本个数；fq为未知点和功率系数预测值之间的映射关系，YQ为所有样本对应的功率系数组成的向量，YQ＝[CQ1CQ2…CQns]T；fm为未知点和悬停效率预测值之间的映射关系，YM为所有样本对应的悬停效率组成的向量，YM＝[FM1FM2…FMns]T；
根据未知点的拉力系数预测值、功率系数预测值和悬停效率预测值，利用NSGA-II算法对所有未知点进行多目标参数优化，得到最优个体参数。


6.根据权利要求2所述的直升机涵道尾桨内壁面...

【专利技术属性】
技术研发人员：王博，曹宸恺，赵国庆，招启军，陈希，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32