CN102096739B - 一种飞机燃油量测量传感器布局优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属航空技术领域，涉及一种飞机燃油量测量传感器布局优化设计方法。本发明综合考虑飞机燃油量测量传感器布局优化设计基本原则，针对现代飞机油箱结构复杂、功能部件繁多、测量精度要求高等特征，提出了一种系统、全面、通用性强的油量测量传感器布局优化设计方法，该方法首先提取燃油箱油液模型；其次，进行传感器可行性布置区域划分、离散及可行性安装线生成；再次，用底部与顶部不可测油量约束优化传感器布局；最后，根据测量连续性与姿态误差约束优化传感器布局，得到最终传感器布局优化结果。本发明通用性强，便于实现程序开发，进而改善了系统设计手段，提高了系统设计效率，能够满足现代飞机油量测量传感器布局优化设计的需要。

Description

一种飞机燃油量测量传感器布局优化设计方法

技术领域

本发明属航空技术领域，涉及一种飞机燃油量测量传感器布局优化设计方法。

背景技术

燃油箱油量及其分布是飞机重要的基础信息，稳定、精确的燃油量测量对改善飞机整体性能具有重要意义。一方面，精确的燃油量测量是飞机重心控制的需要。燃油量是飞机最大的可变重量，一般飞机燃油量占全机重量的30%～60%之间，通过对飞机中各个油箱燃油量的精确测量，便于调整燃油在各油箱的分布，实现飞机重心控制，确保飞机重心保持在所允许范围之内，而飞机重心偏差对飞行性能影响巨大，轻则由于需要平尾配平增加飞行阻力，增加油耗，影响经济性，重则影响操稳，带来安全性问题。另一方面，精确的燃油量测量是实施科学飞行管理的需要。实时、准确测量油箱中的剩余油量可以精确计算飞机续航时间，保证飞机安全飞行；飞行前必须根据飞行任务制定加油量，如果油量测量误差大（小型战斗机一般会达到几十公斤甚至上百公斤，大型民机一般会达到几百公斤甚至更多），为了保证飞行安全不得不增加加油量，对战斗机而言，会降低其有效载重量，航程和作战半径；对大型民机而言，会降低飞机载重，影响飞行经济性，据有关文献报道，燃油测量精度只要每提高0.5%，就可以至少增加2～3名乘客。为此，需要设计稳定、可靠、高精度的燃油测量系统进行飞机燃油量测量。

目前，国内外最常见的飞机燃油量测量方式为：通过遍布于油箱不同部位的油量传感器测量油面高度，然后查询表征油面高度与燃油量对应关系的燃油质量特性数据库，最后经差值解算得到油量测量结果。为了保证各种常见飞行姿态下通过油量传感器获得有效、稳定、高精度的油面高度值，除了要提高传感器本身可靠性和测量精度以外，更重要的是确定合理的油箱内油量传感器布置方式，即油箱内油量传感器数量和安装位置。不合理的传感器布置方式会导致：某些常见飞行姿态下底（顶）部不可测油量过大；某些常见飞行姿态下传感器整体外漏或整体侵油，不能有效测量油面高度；油量测量精度对飞行姿态敏感，测量姿态误差较大；油量传感器受燃油流动、气泡析出的影响大，传感器本身测量精度降低；不利于传感器安装与维护，增加装机重量和影响传感器维修性等。现代飞机油箱结构复杂，油箱内部还装有一些形状与体积各异的管道、泵、阀等部件，而且飞机在飞行过程中存在较大的姿态变化，为油面高度的高精度测量带来了很大困难，如何合理的优化油箱内油量传感器布局，以保证在各种常见飞行工况下，连续、高精度、可靠的测量油面高度，进而提高最终油量测量精度已经成为急需解决的问题。

由于技术封锁，很难找到国外的油量传感器布局优化技术核心资料，国内在油量测量传感器布局优化方面进行了一定的研究，但缺乏系统全面的优化设计理论和科学有效的设计手段。《飞机油量传感器布局设计的CAD方法的研究》(北京航空航天大学学报，1997,23(6)：783-787)一文中指出了直线型同心电容式油量传感器存在“测量死区”以及姿态误差大等弊端，并提出了可测量区域的计算以及寻找传感器位置的后验方法。然而，该传感器位置的确定方法难以直接找到传感器的最佳敷设位置，缺乏系统、全面的设计理论。《采用CAD技术对飞机燃油测量进行姿态误差修正》(北京航空航天大学学报，2002,28(1)：119-121)一文中提出了一种基于CAD技术的航空燃油油量实时测量和误差修正方法，但是没有对传感器的敷设位置进行优化，而且在每个角度值和每个高度值上，需要多次交互地通过系统指令进行体积计算，分析过程不是通过软件自动完成。《飞机油量测量传感器的寻优布置》(飞机设计,2001,第3期：42-45)一文中提出了基于油箱模型面心连线和对称面心连线的传感器数量及布局优化方法，这种方法对油箱模型形状特征具有一定要求，其适合于规则的长方体型或横向对称油箱，对于常见的机翼扁平油箱结构不能取得良好的效果。《飞机燃油系统油量计算与误差分析》(南京航空航天大学学报，2005,37(6)：811-815)一文中提出针对面心连线不连续的问题，提出了平移修正方法对传感器进行布置，但其同样对油箱结构特征具有较高要求，适用的广泛性较差。整体来说国内现有的方法研究主要集中在：针对细长或规则油箱特征的单根传感器面心布置法及多根传感器对称面心布置法，这种布置方法对油箱结构特征具有较高要求，不适合于现代飞机广泛采用的机翼扁平油箱结构；在实际型号的传感器布置过程中，对于不规则的油箱结构主要依靠工程经验，这种依靠工程经验的传感器布置结果不一定能得到最优的效果，不能满足现代飞机系统优化设计的需要。

发明内容

本发明目的是提供一种综合考虑传感器布局优化基本原则，通用性强、可行性好的燃油测量传感器布局优化设计方法。

本发明的技术解决方案是：

（1）、传感器可行性布置区域划分、离散及可行性安装线生成

1.a).将油箱结构模型导入计算机辅助设计软件(CATIA、Pro_E、UG等)，提取燃油箱油液模型；

1.b).根据燃油的串通性能及翼肋的密封性能，将燃油箱油液模型划分成多个用于传感器布局的测算单元；

1.c).针对各测算单元油液模型，提取油液模型底面和顶面；

1.d).根据传感器布置避开燃油泵位置、吸油口位置、燃油剧烈流动位置、气泡析出位置、维护口盖位置的原则，及传感器便于在翼肋、长桁上安装的原则，在油液模型底面或顶面划分出油量传感器可以布置的所有区域面；

1.e).针对传感器可以布置的所有区域面，利用计算机辅助设计软件中的对曲面进行离散化的工具，将可行性布置区域进行离散，生成区域离散点；

1.f).根据燃油测量系统设计要求，对传感器安装方向角度范围进行离散，得到传感器安装方向角度离散数据；

1.g).在可行性区域离散点及安装方向离散数据的基础上，生成分布于测算单元底面和顶面之间的安装线集合；

1.h).根据油量传感器与油箱壁距离的要求，上下压缩一定距离作为有效地传感器安装线集合；

（2）、用底部与顶部不可测油量约束优化传感器布局

2.a).对油量测量设计滚转角和俯仰角范围，按照一定间隔进行离散，得到俯仰角与滚转角任意组合离散数据集合；

2.b).以可行性传感器安装线集合和底部与顶部不可测油量要求为基础，通过自动切削油箱模型，得到任意姿态组合对下满足底部或顶部不可测油量要求的传感器安装线集合；

2.c).对各姿态组合下的约束结果进行合并；合并方法为：首先寻找任意两个公共部分最多的传感器集合，并进行合并，如果公共数量大于传感器安装线集合总数的15～30%，则取消这两个集合，将合并结果作为新的合并初始对象，继续进行合并过程，直至公共部分最大数量少于传感器安装线集合总数的15～30%为止，得到合并后的满足底部和顶部不可测油量要求的传感器安装线集合；

（3）、测量连续性与姿态误差约束优化传感器布局

3.a).针对单个测算单元，设置传感器布置数量为n，n为正整数，n初值为1，n按照n=n+1逐个递增；

3.b).针对单个测算单元，在给定传感器布置数量n的前提下，设置满足底部和顶部不可测油量要求的传感器安装线集合分组数为i，i为正整数，i初值为1，i按照i=i+1逐个递增，i取值范围为1~n；

3.c).将合并后的传感器安装线集合个数定义为m，将m个集合划分成i组，得到所有划分组合；

3.d).针对每一个划分组合，求取各组传感器安装线集合的交集，交集共i组，判断交集是否为空集；

3.e).针对每一个划分组合得到的传感器安装线交集组，如果交集组没有空集，则交集组与j＝n-i个有效地可行性传感器安装线集合组成计算组合，计算组合内包含n个非空传感器安装线集合；如果交集组中有空集，则跳出此步，返回到3.d）步，计算其它划分组合；

3.f).针对每一个计算组合，对n个非空集传感器安装线集合进行区域划分，划分出多个小区域，并确定距小区域中心最近的传感器安装线，以距中心最近的传感器安装线代表小区域，任意组合得到多组距小区域中心最近的安装线组；

3.g).针对每一安装线组，进行油位测量连续性约束判断，判断方法为：对各极限设计姿态组合下，10%~90%油量情况下，始终有传感器安装线与油平面相交，则满足连续性要求，继续进行下一步，如果不相交，则不满足连续性要求，则跳出此步，返回到3.f）步，计算其它组合；

3.h).针对每一个满足连续性要求的安装线组，进行各姿态组合不同油位处姿态误差计算，寻找姿态误差之和最小的小区域组合；

3.i).如果小区域内传感器数量大于传感器安装线集合总数的10～20%，则返回到3.f）步，继续进行划分计算，直到小区域内传感器数量小于传感器安装线集合总数的10～20%为止；

3.j).对每一个小区域组合，计算所有安装线组合总姿态误差，总姿态误差最小的即为最优安装线组合；

3.k).判断最优安装线组合姿态误差是否满足系统姿态误差设计要求，如果满足，则最终传感器数量为此时的n值，传感器布局结果为此最优安装线组合；如果不满足，n=n+1，返回到3.a）步，重新进行计算。

本发明综合考虑飞机燃油量测量传感器布局优化设计基本原则，针对现代飞机油箱结构复杂、功能部件繁多、测量精度要求高等特征，提出了一种系统、全面、通用性强的油量测量传感器布局优化设计方法，该方法首先提取燃油箱油液模型；其次，进行传感器可行性布置区域划分、离散及可行性安装线生成；再次，用底部与顶部不可测油量约束优化传感器布局；最后，根据测量连续性与姿态误差约束优化传感器布局，得到最终传感器布局优化结果。本发明通用性强，便于实现程序开发，进而改善了系统设计手段，提高了系统设计效率，能够满足现代飞机油量测量传感器布局优化设计的需要。

附图说明

图1是本发明流程示意图；

图2是本发明传感器可行性布置区域划分、离散及可行性安装线生成流程示意图；

图3是本发明用底部与顶部不可测油量约束优化传感器布局流程示意图；

图4是本发明测量连续性与姿态误差约束优化传感器布局流程示意图。

具体实施方式

（1）、传感器可行性布置区域划分、离散及可行性安装线生成（见图1、图2）

1.a).将油箱结构模型导入计算机辅助设计软件(CATIA、Pro_E、UG等)，提取燃油箱油液模型；

1.b).根据燃油的串通性能及翼肋的密封性能，将燃油箱油液模型划分成多个用于传感器布局的测算单元；

1.c).针对各测算单元油液模型，提取油液模型底面和顶面；

1.d).根据传感器布置避开燃油泵位置、吸油口位置、燃油剧烈流动位置、气泡析出位置、维护口盖位置的原则，及传感器便于在翼肋、长桁上安装的原则，在油液模型底面或顶面划分出油量传感器可以布置的所有区域面；

1.e).针对传感器可以布置的所有区域面，利用计算机辅助设计软件中的对曲面进行离散化的工具，将可行性布置区域进行离散，生成区域离散点；

1.f).根据燃油测量系统设计要求，对传感器安装方向角度范围进行离散，得到传感器安装方向角度离散数据；

1.g).在可行性区域离散点及安装方向离散数据的基础上，生成分布于测算单元底面和顶面之间的安装线集合；

1.h).根据油量传感器与油箱壁距离的要求，上下压缩一定距离作为有效地传感器安装线集合。

（2）、用底部与顶部不可测油量约束优化传感器布局（见图1、图3）

2.a).对油量测量设计滚转角和俯仰角范围，按照一定间隔进行离散，得到俯仰角与滚转角任意组合离散数据集合；

2.b).以可行性传感器安装线集合和底部与顶部不可测油量要求为基础，通过自动切削油箱模型，得到任意姿态组合对下满足底部或顶部不可测油量要求的传感器安装线集合；

2.c).对各姿态组合下的约束结果进行合并；合并方法为：首先寻找任意两个公共部分最多的传感器集合，并进行合并，如果公共数量大于传感器安装线集合总数的15～30%，则取消这两个集合，将合并结果作为新的合并初始对象，继续进行合并过程，直至公共部分最大数量少于传感器安装线集合总数的15～30%值为止，得到合并后的满足底部和顶部不可测油量要求的传感器安装线集合；

（3）、测量连续性与姿态误差约束优化传感器布局（见图1、图4）

3.a).针对单个测算单元，设置传感器布置数量为n，n为正整数，n初值为1，n按照n=n+1逐个递增；

3.b).针对单个测算单元，在给定传感器布置数量n的前提下，设置满足底部和顶部不可测油量要求的传感器安装线集合分组数为i，i为正整数，i初值为1，i按照i=i+1逐个递增，i取值范围为1~n；

3.c).将合并后的传感器安装线集合个数定义为m，将m个集合划分成i组，得到所有划分组合；

3.d).针对每一个划分组合，求取各组传感器安装线集合的交集，交集共i组，判断交集是否为空集；

3.e).针对每一个划分组合得到的传感器安装线交集组，如果交集组没有空集，则交集组与j＝n-i个有效地可行性传感器安装线集合组成计算组合，计算组合内包含n个非空传感器安装线集合；如果交集组中有空集，则跳出此步，返回到3.d）步，计算其它划分组合；

3.f).针对每一个计算组合，对n个非空集传感器安装线集合进行区域划分，划分出多个小区域，并确定距小区域中心最近的传感器安装线，以距中心最近的传感器安装线代表小区域，任意组合得到多组距小区域中心最近的安装线组；

3.g).针对每一安装线组，进行油位测量连续性约束判断，判断方法为：对各极限设计姿态组合下，10%~90%油量情况下，始终有传感器安装线与油平面相交，则满足连续性要求，继续进行下一步，如果不相交，则不满足连续性要求，则跳出此步，返回到3.f）步，计算其它组合；

3.h).针对每一个满足连续性要求的安装线组，进行各姿态组合不同油位处姿态误差计算，寻找姿态误差之和最小的小区域组合；

3.i).如果小区域内传感器数量大于传感器安装线集合总数的10～20%，则返回到3.f）步，继续进行划分计算，直到区域内传感器数量小于传感器安装线集合总数的10～20%为止；

3.j).对每一个小区域组合，计算所有安装线组合总姿态误差，总姿态误差最小的即为最优安装线组合；

3.k).判断最优安装线组合姿态误差是否满足系统姿态误差设计要求，如果满足，则最终传感器数量为此时的n值，传感器布局结果为此最优安装线组合；如果不满足，n=n+1，返回到3.a）步，重新进行计算。

Claims (1)

1.一种飞机燃油量测量传感器布局优化设计方法，其步骤如下：

（1）、传感器可行性布置区域划分、离散及可行性安装线生成

1.a).将油箱结构模型导入计算机辅助设计软件，提取燃油箱油液模型；

1.b).根据燃油的串通性能及翼肋的密封性能，将燃油箱油液模型划分成多个用于传感器布局的测算单元；

1.c).针对各测算单元油液模型，提取油液模型底面和顶面；

1.d).根据传感器布置避开燃油泵位置、吸油口位置、燃油剧烈流动位置、气泡析出位置、维护口盖位置的原则，及传感器便于在翼肋、长桁上安装的原则，在油液模型底面或顶面划分出油量传感器可以布置的所有区域面；

1.e).针对传感器可以布置的所有区域面，利用计算机辅助设计软件中的对曲面进行离散化的工具，将可行性布置区域进行离散，生成区域离散点；

1.f).根据燃油测量系统设计要求，对传感器安装方向角度范围进行离散，得到传感器安装方向角度离散数据；

1.g).在可行性区域离散点及安装方向离散数据的基础上，生成分布于测算单元底面和顶面之间的安装线集合；

1.h).根据油量传感器与油箱壁距离的要求，上下压缩一定距离作为有效地传感器安装线集合；

（2）、用底部与顶部不可测油量约束优化传感器布局

2.a).对油量测量设计滚转角和俯仰角范围，按照一定间隔进行离散，得到俯仰角与滚转角任意组合离散数据集合；

2.b).以可行性传感器安装线集合和底部与顶部不可测油量要求为基础，通过自动切削油箱模型，得到任意姿态组合对下满足底部或顶部不可测油量要求的传感器安装线集合；

2.c).对各姿态组合下的约束结果进行合并；合并方法为：首先寻找任意两个公共部分最多的传感器集合，并进行合并，如果公共数量大于传感器安装线集合总数的15～30%，则取消这两个集合，将合并结果作为新的合并初始对象，继续进行合并过程，直至公共部分最大数量少于传感器安装线集合总数的15～30%为止，得到合并后的满足底部和顶部不可测油量要求的传感器安装线集合；

（3）、测量连续性与姿态误差约束优化传感器布局

3.a).针对单个测算单元，设置传感器布置数量为n，n为正整数，n初值为1，n按照n=n+1逐个递增；

3.b).针对单个测算单元，在给定传感器布置数量n的前提下，设置满足底部和顶部不可测油量要求的传感器安装线集合分组数为i，i为正整数，i初值为1，i按照i=i+1逐个递增，i取值范围为1~n；

3.c).将合并后的传感器安装线集合个数定义为m，将m个集合划分成i组，得到所有划分组合；

3.d).针对每一个划分组合，求取各组传感器安装线集合的交集，交集共i组，判断交集是否为空集；

3.e).针对每一个划分组合得到的传感器安装线交集组，如果交集组没有空集，则交集组与j＝n-i个有效地可行性传感器安装线集合组成计算组合，计算组合内包含n个非空传感器安装线集合；如果交集组中有空集，则跳出此步，返回到3.d）步，计算其它划分组合；

3.f).针对每一个计算组合，对n个非空集传感器安装线集合进行区域划分，划分出多个小区域，并确定距小区域中心最近的传感器安装线，以距中心最近的传感器安装线代表小区域，任意组合得到多组距小区域中心最近的安装线组；

3.g).针对每一安装线组，进行油位测量连续性约束判断，判断方法为：对各极限设计姿态组合下，10%~90%油量情况下，始终有传感器安装线与油平面相交，则满足连续性要求，继续进行下一步，如果不相交，则不满足连续性要求，则跳出此步，返回到3.f）步，计算其它组合；

3.h).针对每一个满足连续性要求的安装线组，进行各姿态组合不同油位处姿态误差计算，寻找姿态误差之和最小的小区域组合；

3.i).如果小区域内传感器数量大于传感器安装线集合总数的10～20%，则返回到3.f）步，继续进行划分计算，直到小区域内传感器数量小于传感器安装线集合总数的10～20%为止；

3.j).对每一个小区域组合，计算所有安装线组合总姿态误差，总姿态误差最小的即为最优安装线组合；

3.k).判断最优安装线组合姿态误差是否满足系统姿态误差设计要求，如果满足，则最终传感器数量为此时的n值，传感器布局结果为此最优安装线组合；如果不满足，n=n+1，返回到3.a）步，重新进行计算。

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