一种考虑机构约束的管射无人机二次折叠翼气动设计方法技术

本发明专利技术提供一种考虑机构约束的管射无人机二次折叠翼气动设计方法，首先给定二次折叠翼基准外形信息并指定设计工况、约束条件与目标函数；其次进行基准外形气动性能计算；之后根据展开机构参数选取关键剖面站位并确定关键剖面绝对厚度约束，采用FFD方法对基准外形进行参数化并选定设计变量，求解设计变量对关键剖面绝对厚度约束位置的影响因子，根据关键剖面绝对厚度约束对设计变量进行范围限定；而后开展考虑机构约束的气动外形优化设计；最后计算优化外形的气动性能。本发明专利技术根据机构约束对设计变量进行预处理，在可行域内取样与搜索最优结果，避免了可行域外的取样与气动性能计算，取样更加均匀与充分，缩短了优化耗时与设计周期。计周期。计周期。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑机构约束的管射无人机二次折叠翼气动设计方法


[0001]本专利技术涉及一种飞行器气动优化设计方法，具体为一种考虑机构约束的管射无人机二次折叠翼气动设计方法。

技术介绍

[0002]管射无人机兼具制导弹药与小型无人机的特点，既可以像制导弹药一样在发射管内储存、运输与发射，又可像飞行器一样展开机翼进行巡航飞行。为实现管内封装，无人机需将机翼折叠以紧贴机身，减小自身尺寸与容积。管射无人机的机翼折叠方式主要为一次折叠与二次折叠。对于小展弦比机翼，通常采用一次折叠，在机翼根部布置展开机构，机翼向机头或者机尾旋转折叠。而对于大展弦比机翼，则通常采用机翼分段的二次折叠方式，增设第二展开机构连接内、外机翼，机翼整体绕翼根的第一展开机构旋转，外机翼绕第二展开机构相对内机翼旋转，二者同步旋转直至与机身重合。管射无人机二次折叠翼的工作流程如图1所示。
[0003]相比一次折叠，二次折叠机械复杂度较高，但从气动性能角度来看，二次折叠机翼展弦比更大，理论上具有更高的飞行效率。然而，二次折叠机翼的第二展开机构尺寸约束导致内、外机翼过渡段包络面相对厚度增大，气动性能降低，恶化了二次折叠机翼的气动性能。因此，提升二次折叠机翼气动性能成为亟待解决的关键问题。

技术实现思路

[0004]要解决的技术问题
[0005]为了解决第二展开机构导致的二次折叠翼气动性能恶化的问题，本专利技术提供一种考虑展开机构约束的气动外形优化设计方法。采用FFD方法对二次折叠翼进行参数化建模，将展开机构几何约束转化为绝对厚度约束，通过求解设计变量影响因子的方式将绝对厚度约束进一步转化为对FFD设计变量的范围限定。最后，结合CFD求解器和优化算法开展考虑机构约束的二次折叠翼气动外形优化设计。
[0006]技术方案
[0007]本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0008]步骤1、优化问题设定：包括给定二次折叠翼基准外形的翼型信息、平面形状参数与第二展开机构参数，指定设计工况、约束条件与目标函数；
[0009]步骤2、基准外形气动性能计算：对基准外形进行网格划分，采用CFD方法计算基准外形的气动性能；
[0010]步骤3、第二展开机构约束处理：根据第二展开机构参数选取关键剖面站位并确定关键剖面绝对厚度约束，采用FFD方法对基准外形进行参数化并选定设计变量，求解设计变量对关键剖面绝对厚度约束位置的影响因子，根据关键剖面绝对厚度约束对设计变量进行范围限定。关键剖面是指折叠翼过渡段包络面在优化设计过程中，最容易、最有可能与第二展开机构发生干涉的几个剖面，因此，必须加以选择并根据相对位置关系施加设计约束。关
键剖面选通常选定为过渡段包络面距离第二展开机构内部扭簧最近的若干点所在的翼型剖面。
[0011]步骤4、基于优化算法开展优化设计：将优化算法与CFD求解器结合，开展考虑机构约束的气动外形优化设计；当满足收敛条件时，结束优化问题；
[0012]步骤5、采用CFD方法计算得到的优化外形的气动性能，将基准外形和优化外形的气动性能进行对比，检验优化设计效果。
[0013]进一步的，步骤1中，所述二次折叠翼包括：内机翼、外机翼、第二展开机构及过渡段型面；所述第二展开机构包括：扭转弹簧和连接件；所述二次折叠翼平面形状参数包括：内机翼弦长C1、内机翼展长L1、外机翼弦长C2、外机翼展长L2、根梢比T、包络面宽度W、过渡段型面高度差H、机翼参考面积S
ref
、参考弦长C
ref
、参考展长L
ref
；所述第二展开机构参数包括：扭簧中径R1、扭簧线径R2、扭簧高度H1、连接件高度H2、连接件半径R3；所述设计工况包括：飞行高度、大气密度、声速、马赫数、温度、静压；所述约束条件包括：升力系数、力矩系数、容积、投影面积；所述目标函数包括：升阻比、阻力系数、航程、航时、巡航效率因子。
[0014]进一步的，步骤2中，所述CFD方法为求解雷诺平均N
‑
S方程的方法，所述气动性能包括：升力系数、阻力系数、力矩系数、升阻比、巡航效率因子。
[0015]进一步的，步骤3中，所述关键剖面为第二展开机构中四个点所在的三个翼型剖面，四个点分别为扭簧最左侧角点、扭簧最右侧角点、以及扭簧两个连接件所在位置，三个翼型剖面分别为过扭簧最左侧角点、过扭簧最右侧角点以及过扭簧两个连接件的x
‑
z方向平面与过渡段包络面所形成的三条封闭相交曲线。
[0016]进一步的，步骤3中，所述影响因子的求解方法具体包括如下步骤：
[0017]步骤3.1：根据第二展开机构参数确定第二展开机构包络面的关键剖面站位数l与剖面绝对厚度约束：将关键剖面约束序号记为S
k
，下标k为计数序号，k＝1～l；根据几何相对关系，确定约束序号S
k
绝对厚度约束表达式为：z
k,min
<z
k
<z
k,max
；其中，z
k
为约束序号S
k
的绝对高度坐标，z
k,min
为约束序号S
k
的绝对高度下限，z
k,max
为约束序号S
k
的绝对高度上限；
[0018]步骤3.2：对基准外形布置FFD控制体并选定控制点与设计变量，控制点数目为n，控制点计数序号为j，设计变量记为x
j
，j＝1～n；
[0019]步骤3.3：对FFD映射函数进行线性化，将FFD控制点设计变量x
j
与型面位移Δz
k
的线性映射关系表示为Δz
k
＝∑a
j,k
·
x
j
。其中a
j,k
为影响因子，表示设计变量x
j
的单位变化量引起的约束位置S
k
的位移量；
[0020]步骤3.4：建立并求解矛盾方程组，设定样本数量m(计数序号为i，i＝1～m)，建立样本空间表达式X＝[X1,X2,
…
X
i
,
…
X
m
]T
，某一组样本的数学表达式为X
i
＝[X
i,1
,X
i,2
,
…
X
i,j
,
…
X
i,n
]，该样本变形量表达式为Z
i
＝[Y
i,1
,Y
i,2
,
…
Y
i,k
,
…
Y
i,l
]，拟合系数矩阵表达式为
[0021][0022]生成初始约束条件下的m组随机样本X1～X
m
，利用FFD方法对全部样本点求解给定设计变量X
i
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑机构约束的管射无人机二次折叠翼气动设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、优化问题设定：包括给定二次折叠翼基准外形的翼型信息、平面形状参数与第二展开机构参数，指定设计工况、约束条件与目标函数；步骤2、基准外形气动性能计算：对基准外形进行网格划分，采用CFD方法计算基准外形的气动性能；步骤3、第二展开机构约束处理：根据第二展开机构参数选取关键剖面站位并确定关键剖面绝对厚度约束，采用FFD方法对基准外形进行参数化并选定设计变量，求解设计变量对关键剖面绝对厚度约束位置的影响因子，根据关键剖面绝对厚度约束对设计变量进行范围限定；步骤4、基于优化算法开展优化设计：将优化算法与CFD求解器结合，开展考虑机构约束的气动外形优化设计；当满足收敛条件时，结束优化问题；步骤5、采用CFD方法计算得到的优化外形的气动性能，将基准外形和优化外形的气动性能进行对比，检验优化设计效果。2.根据权利要求1所述一种考虑机构约束的管射无人机二次折叠翼气动设计方法，其特征在于：步骤1中，所述二次折叠翼包括：内机翼、外机翼、第二展开机构及过渡段型面；所述第二展开机构包括：扭转弹簧和连接件；所述二次折叠翼平面形状参数包括：内机翼弦长C1、内机翼展长L1、外机翼弦长C2、外机翼展长L2、根梢比T、包络面宽度W、过渡段型面高度差H、机翼参考面积S
ref
、参考弦长C
ref
、参考展长L
ref
；所述第二展开机构参数包括：扭簧中径R1、扭簧线径R2、扭簧高度H1、连接件高度H2、连接件半径R3；所述设计工况包括：飞行高度、大气密度、声速、马赫数、温度、静压；所述约束条件包括：升力系数、力矩系数、容积、投影面积；所述目标函数包括：升阻比、阻力系数、航程、航时、巡航效率因子。3.根据权利要求1所述一种考虑机构约束的管射无人机二次折叠翼气动设计方法，其特征在于：步骤2中，所述CFD方法为求解雷诺平均N
‑
S方程的方法，所述气动性能包括：升力系数、阻力系数、力矩系数、升阻比、巡航效率因子。4.根据权利要求1所述一种考虑机构约束的管射无人机二次折叠翼气动设计方法，其特征在于：步骤3中，所述关键剖面为第二展开机构中四个点所在的三个翼型剖面，四个点分别为扭簧最左侧角点、扭簧最右侧角点、以及扭簧两个连接件所在位置，三个翼型剖面分别为过扭簧最左侧角点、过扭簧最右侧角点以及过扭簧两个连接件的x
‑
z方向平面与过渡段包络面所形成的三条封闭相交曲线。5.根据权利要求1所述一种考虑机构约束的管射无人机二次折叠翼气动设计方法，其特征在于：步骤3中，所述影响因子的求解方法具体包括如下步骤：步骤3.1：根据第二展开机构参数确定第二展开机构包络面的关键剖面站位数l与剖面绝对厚度约束：将关键剖面约束序号记为S
k
，下标k为计数序号，k＝1～l；根据几何相对关系，确定约束序号S
k
绝对厚度约束表...

【专利技术属性】
技术研发人员：昌敏，孙杨，任武，白俊强，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：