CN115358001A - 一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化的方法 - Google Patents

一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化的方法 Download PDF

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陈其盛
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Abstract

本发明属于飞行器气动隐身多学科优化技术领域，公开了一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化的方法，包括S1、绘制飞翼布局飞行器表面结构网格；S2、采用引导线轮廓线方法将表面结构网格参数化；S3、给定飞翼布局前缘半径沿展向变化规律曲线；S4、绘制飞翼布局初始外形气动计算网格和隐身计算网格；S5、采用映射联动法建立气动计算物面网格、隐身计算物面网格与参数化表面结构网格的映射关系；S6、参数化网格变形完毕后，根据S5中的映射关系得到气动计算、隐身计算表面网格点，并进行气动隐身计算，由此完成对飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身的综合优化；本发明解实现了对飞翼布局飞行器前缘半径的参数化，并开展气动隐身综合优化。

Description

一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化的方法
技术领域
本发明涉及飞行器气动隐身多学科优化技术领域，具体为一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化的方法。
背景技术
对飞翼布局飞行器而言，前缘半径是影响飞行器气动、隐身性能的重要参数，飞翼飞行器前缘半径不仅飞翼布局俯仰力矩匹配、大迎角时分离特性，对前向雷达散射面积(RCS)也有重要的影响。
在对飞翼布局飞行器的气动隐身多学科优化中，重要的一步是对飞翼布局飞行器外形表述的参数化，其前缘半径参数对于二维翼型而言较为简单，但对于三维飞行器，按照指定的前缘半径变化规律改变外形，并生成气动分析计算网格和隐身分析计算网格是非常复杂的过程，难以实现自动化，也限制了对整个飞行器前缘半径定量分析和多学科优化的应用。目前现有的也仅针对翼型开展了前缘形状对气动隐身特性的敏感性分析，尚无针对飞翼布局飞行器全机构型前缘半径展向变化对气动隐身特性影响的研究。
发明内容
本发明意在提供一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化的方法，实现对飞翼布局飞行器前缘半径的参数化，并开展气动隐身综合优化。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化的方法，包括以下步骤：
S1、绘制飞翼布局飞行器表面结构网格：
给定飞翼布局飞行器初始外形，使用网格划分软件绘制表面结构网格，其中，网格划分过程中i方向沿流场，j方向沿飞行器展向，用一条前缘线将飞翼布局飞行器分为上下表面两部分，该前缘线由沿展向当地翼型的前缘点组成，上、下表面作为两个区域分别绘制网格，前缘后点分布相似，使i向网格近似平行于机身轴线，输出网格文件；
S2、采用引导线轮廓线方法将表面结构网格参数化：
根据S1中绘制的上、下表面网格j向线，其近似平行于机身轴线，认为是当地翼型线，对该线采用CST方法进行参数化，CST方法表述一条曲线的数学表达式为：
Figure BDA0003759145510000021
式中，
Figure BDA0003759145510000022
为类型函数，不同的N1、N2决定了曲线类型，当N1＝0.5、N2＝1时为圆头圆尾、N1＝1、N2＝1时为尖头尖尾，ψ为无量纲弦长坐标，ζT为翼型后缘厚度项，S(ψ)为形状函数，其用伯恩斯坦多项式来定义，其数学表达式为：
Figure BDA0003759145510000023
Sr，n(ψ)＝Kr，n×ψr(1-ψ)n-r
Figure BDA0003759145510000024
式中，Ar为形状参数，n为伯恩斯坦多项式阶数，取类型参数N1＝0.5、N2＝1，以形状参数Ar作为寻优变量，采用优化方法搜索与曲线最为配平的参数，前缘半径与形状参数A0存在如下关系：
Figure BDA0003759145510000025
得到飞翼布局前缘半径沿展向变化的曲线；
S3、给定飞翼布局前缘半径沿展向变化规律曲线：
给定飞翼布局多个展向占位处设计前缘半径值，中间点的前缘半径由给定站位和前缘半径样条插值得到；利用S2中前缘半径与形状参数A0之间的关系
Figure BDA0003759145510000026
得到
Figure BDA0003759145510000027
并计算该占位翼型CST曲线A0参数值，替换原来的A0，再次计算翼型对应位置处坐标，求出与原翼型坐标差量，叠加到原曲线坐标中，其替换的数学表达式为：
xyznew＝xyzold+(CSTnew-CSTold)
沿展向操作完毕后，得到飞翼布局设计前缘半径的表面结构网格；
S4、绘制飞翼布局初始外形气动计算网格和隐身计算网格；
S5、采用映射联动法建立气动计算物面网格、隐身计算物面网格与参数化表面结构网格的映射关系：
遍历气动、隐身学科表面网格点，查找改点位于参数化结构网格的某一网格单元中，并由面积比例系数法得到四边形单元四个交点与网格点的比例关系；
S6、参数化网格变形完毕后，根据S5中的映射关系得到气动计算、隐身计算表面网格点，并进行气动隐身计算，由此完成对飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身的综合优化。
进一步地，在S1中，使用网格划分软件PointWise绘制表面结构网络，最后输出的网格为plot3d格式文件。
进一步地，在S5中，面积比例系数的计算方式为：
Figure BDA0003759145510000031
Figure BDA0003759145510000032
Figure BDA0003759145510000033
Figure BDA0003759145510000034
待映射点在四边形的映射坐标表示为：
Pt'＝P1×k1+P2×k2+P3×k3+P4×k4
式中，p1、p2、p3、p4为四边形四个点的坐标，a1、a2、a3、a4为被映射点与其中两点组成的三角形的面积，Pt为映射坐标。
技术方案的有益效果是：
本发明提供的方法可实现飞翼布局飞行器前缘半径按照给定值变形，并得到变形后的气动力计算网格和隐身计算网格，可用于研究前缘半径对气动、隐身特性的影响，并可用于前缘半径分布的综合寻优。
附图说明
图1为本发明一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化方法的流程图；
图2为本发明一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化方法的飞翼布局飞行器表面结构网格实例图；
图3为本发明一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化方法的飞翼布局飞行器表面结构网格实例局部图；
图4为本发明一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化方法的寻优匹配得到的飞翼布局飞行器前缘半径分布图；
图5为本发明一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化方法的给定前缘半径分布图；
图6为本发明一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化方法的前缘半径变化后与原网格对比图；
图7为本发明一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化方法的头部前缘半径变化后与原网格对比图；
图8为本发明一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化方法的翼稍部位前缘半径变化后与原网格对比图；
图9为本发明一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化方法的飞翼布局飞行器气动分析计算网格的空间网格图；
图10为本发明一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化方法的飞翼布局飞行器气动分析计算网格的物面网格图；
图11为本发明一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化方法的飞翼布局飞行器隐身分析计算网格图；
图12为本发明一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化方法的判断点与四边形网格单元位置关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
如图1至图12所示，一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化的方法，包括以下步骤：
S1、绘制飞翼布局飞行器表面结构网格：
给定飞翼布局飞行器初始外形，使用网格划分软件PointWise绘制表面结构网格，其中，网格划分过程中i方向沿流场，j方向沿飞行器展向，用一条前缘线将飞翼布局飞行器分为上下表面两部分，该前缘线由沿展向当地翼型的前缘点组成，上、下表面作为两个区域分别绘制网格，前缘后点分布相似，使i向网格近似平行于机身轴线，输出网格为plot3d格式文件；
S2、采用引导线轮廓线方法将表面结构网格参数化：
根据S1中绘制的上、下表面网格j向线，其近似平行于机身轴线，认为是当地翼型线，对该线采用CST方法进行参数化，CST方法表述一条曲线的数学表达式为：
Figure BDA0003759145510000051
式中，
Figure BDA0003759145510000052
为类型函数，不同的N1、N2决定了曲线类型，当N1＝0.5、N2＝1时为圆头圆尾、N1＝1、N2＝1时为尖头尖尾，ψ为无量纲弦长坐标，ζT为翼型后缘厚度项，S(ψ)为形状函数，其用伯恩斯坦多项式来定义，其数学表达式为：
Figure BDA0003759145510000053
Sr，n(ψ)＝Kr，n×ψr(1-ψ)n-r
Figure BDA0003759145510000054
式中，Ar为形状参数，n为伯恩斯坦多项式阶数，取类型参数N1＝0.5、N2＝1，以形状参数Ar作为寻优变量，采用优化方法搜索与曲线最为配平的参数，前缘半径与形状参数A0存在如下关系：
Figure BDA0003759145510000055
得到飞翼布局前缘半径沿展向变化的曲线；
S3、给定飞翼布局前缘半径沿展向变化规律曲线：
给定飞翼布局多个展向占位处设计前缘半径值，中间点的前缘半径由给定站位和前缘半径样条插值得到；利用S2中前缘半径与形状参数A0之间的关系
Figure BDA0003759145510000061
得到
Figure BDA0003759145510000062
并计算该占位翼型CST曲线A0参数值，替换原来的A0，再次计算翼型对应位置处坐标，求出与原翼型坐标差量，叠加到原曲线坐标中，其替换的数学表达式为：
xyznew＝xyzold+(CSTnew-CSTold)
沿展向操作完毕后，得到飞翼布局设计前缘半径的表面结构网格；
S4、绘制飞翼布局初始外形气动计算网格和隐身计算网格；
S5、采用映射联动法建立气动计算物面网格、隐身计算物面网格与参数化表面结构网格的映射关系：
遍历气动、隐身学科表面网格点，查找改点位于参数化结构网格的某一网格单元中，并由面积比例系数法得到四边形单元四个交点与网格点的比例关系；其中：面积比例系数的计算方式为：
Figure BDA0003759145510000063
Figure BDA0003759145510000064
Figure BDA0003759145510000065
Figure BDA0003759145510000066
待映射点在四边形的映射坐标表示为：
Pt'＝P1×k1+P2×k2+P3×k3+P4×k4
式中，p1、p2、p3、p4为四边形四个点的坐标，a1、a2、a3、a4为被映射点与其中两点组成的三角形的面积，Pt为映射坐标；
其中，映射联动法的具体步骤为：
A1准备飞行器初始外形学科分析模型和背景网格模型：
给定飞行器的初始外形，使用网格划分软件分别为气动学科和隐身学科提供初始外形分析模型；其中，隐身学科为表面三角网格，气动学科为非结构空间网格；并提取其物面网格，绘制飞行器拟变形部件表面结构网格，作为背景网格；
A2、建立学科分析模型物面网格与背景网格的映射关系，气动、隐身学科分析模型物面网格由无序网格点和网格点之间的连接关系组成，建立网格点与背景网格的映射关系，其方法是：
A2.1、计算背景网格四边形单元的中心点；
A2.2、将A2.1中获得的所有中心点组成KD树，以方便查找；
A2.3、在KD数中搜索距离待映射点最近的若干个中心点，并找到中心点对应的四边形单元；
A2.4、根据边界判断法判断待映射点是否在四边形所有点三坐标最大和最小值组成的长方体空间中，找出所有包含映射点的四边形；
A2.5、当包含映射点四边形单元个数为0时，则认为待映射点不在背景网格上；当包含待映射点四边形单元个数为1时，计算待映射点在四边形单元中的比例系数，比例系数为四边形单元四个点对待映射点坐标的贡献比例；当包含映射点四边形单元个数大于1个时，计算每个单元的比例系数，并用比例系数计算映射点，取映射点与待映射点最小的单元和比例系数为该点的映射关系；
A3、背景网格参数化变形后，由背景网格和各点的比例系数相乘并求和得到被映射点坐标，以此更新学科模型物面网格坐标，得到新的学科模型物面网格；
A4、气动学科分析模型由弹簧法将物面网格变形量传播到空间网格，用于新外形的气动分析；隐身学科直接使用新的物面网格作为学科模型进行隐身分析，由此构成不同学科分析模型间的映射联动；
S6、参数化网格变形完毕后，根据S5中的映射关系得到气动计算、隐身计算表面网格点，并进行气动隐身计算，由此完成对飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身的综合优化。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (3)

1.一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、绘制飞翼布局飞行器表面结构网格：
给定飞翼布局飞行器初始外形，使用网格划分软件绘制表面结构网格，其中，网格划分过程中i方向沿流场，j方向沿飞行器展向，用一条前缘线将飞翼布局飞行器分为上下表面两部分，该前缘线由沿展向当地翼型的前缘点组成，上、下表面作为两个区域分别绘制网格，前缘后点分布相似，使i向网格近似平行于机身轴线，输出网格文件；
S2、采用引导线轮廓线方法将表面结构网格参数化：
根据S1中绘制的上、下表面网格j向线，其近似平行于机身轴线，认为是当地翼型线，对该线采用CST方法进行参数化，CST方法表述一条曲线的数学表达式为：
Figure FDA0003759145500000011
式中，
Figure FDA0003759145500000012
为类型函数，不同的N1、N2决定了曲线类型，当N1＝0.5、N2＝1时为圆头圆尾、N1＝1、N2＝1时为尖头尖尾，ψ为无量纲弦长坐标，ζT为翼型后缘厚度项，S(ψ)为形状函数，其用伯恩斯坦多项式来定义，其数学表达式为：
Figure FDA0003759145500000013
Sr，n(ψ)＝Kr，n×ψr(1-ψ)n-r
Figure FDA0003759145500000014
式中，Ar为形状参数，n为伯恩斯坦多项式阶数，取类型参数N1＝0.5、N2＝1，以形状参数Ar作为寻优变量，采用优化方法搜索与曲线最为配平的参数，前缘半径与形状参数A0存在如下关系：
Figure FDA0003759145500000015
得到飞翼布局前缘半径沿展向变化的曲线；
S3、给定飞翼布局前缘半径沿展向变化规律曲线：
给定飞翼布局多个展向占位处设计前缘半径值，中间点的前缘半径由给定站位和前缘半径样条插值得到；利用S2中前缘半径与形状参数A0之间的关系
Figure FDA0003759145500000021
得到
Figure FDA0003759145500000022
并计算该占位翼型CST曲线A0参数值，替换原来的A0，再次计算翼型对应位置处坐标，求出与原翼型坐标差量，叠加到原曲线坐标中，其替换的数学表达式为：
xyznew＝xyzold+(CSTnew-CSTold)
沿展向操作完毕后，得到飞翼布局设计前缘半径的表面结构网格；
S4、绘制飞翼布局初始外形气动计算网格和隐身计算网格；
S5、采用映射联动法建立气动计算物面网格、隐身计算物面网格与参数化表面结构网格的映射关系：
遍历气动、隐身学科表面网格点，查找改点位于参数化结构网格的某一网格单元中，并由面积比例系数法得到四边形单元四个交点与网格点的比例关系；
S6、参数化网格变形完毕后，根据S5中的映射关系得到气动计算、隐身计算表面网格点，并进行气动隐身计算，由此完成对飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身的综合优化。
2.根据权利要求1所述的一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化的方法，其特征在于：在S1中，使用网格划分软件PointWise绘制表面结构网络，最后输出的网格为plot3d格式文件。
3.根据权利要求1所述的一种飞翼布局飞行器前缘半径气动隐身综合优化的方法，其特征在于：在S5中，面积比例系数的计算方式为：
Figure FDA0003759145500000023
Figure FDA0003759145500000024
Figure FDA0003759145500000025
Figure FDA0003759145500000026
待映射点在四边形的映射坐标表示为：
Pt'＝P1×k1+P2×k2+P3×k3+P4×k4
式中，p1、p2、p3、p4为四边形四个点的坐标，a1、a2、a3、a4为被映射点与其中两点组成的三角形的面积，Pt为映射坐标。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116610905A (zh) * 2023-07-20 2023-08-18 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 一种基于各向异性尺度修正的反距离权重数据插值方法
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