CN104354875A - 一种考虑运动轨迹的增升装置优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑运动轨迹的增升装置优化设计方法，具体步骤为：第一步，在二维翼型的基础上进行二维增升装置气动外形设计；第二步，进行二维运动机构运动轨迹设计；第三步，获得起飞与着陆状态下气动外形及其翼型的缝道参数；第四步，计算增升装置二维气动力；第五步，增升装置缝道参数优化，重复第二步至第四步，对满足起飞与着陆气动性能要求的运动机构的几何参数以及翼型偏角数进行寻优，直至获得最优结果。本发明通过模拟增升装置运动机构整个轨迹曲线来获得起飞构型与着陆构型缝道参数，在保证轨迹实现的基础上能够实现增升装置起飞构型与着陆构型的同步优化设计。

Description

一种考虑运动轨迹的增升装置优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种增升装置优化设计方法，特别涉及一种考虑运动轨迹的增升装置优化设计方法，属于运输机技术领域。

背景技术

增升装置的性能是衡量民用客机设计水平的重要指标之一，关系到飞机的安全性、经济性以及环保性。增升装置设计要求以尽可能简单的形式获得所需的升力，起飞构型要求阻力尽可能小以满足起飞场要求，着陆构型要求高升力高阻力。

增升装置需要在运动机构的驱动下偏转到起飞和着陆构型。起飞构型与着陆构型轨迹位于同一条曲线上。通常增升装置设计都是单点设计，一般着重着陆状态的性能。并且在气动设计阶段不考虑运动机构及其轨迹，只针对外形以及缝道参数进行优化以获得理想的着陆状态气动性能。这样做将难以获得满意的起飞构型的性能，有时还会增加运动机构的复杂性和尺寸，不仅给运动机构设计带来不变还会增加运动机构整流装置尺寸，带来不必要的阻力损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为克服现有技术不足，提供一种考虑运动轨迹的增升装置优化设计方法，以实现对增升装置起飞构型以及着陆构型缝道参数同步优化。

本发明的技术解决方案是：一种考虑运动轨迹的增升装置优化设计方法，具体步骤为：

第一步，进行二维增升装置气动外形设计：采用Bezier曲线对增升装置曲面外形进行设计；

第二步，进行二维运动机构运动轨迹设计：建立运动表达式并根据其位移方程获得相应的运动轨迹；在二维坐标系中建立A点的坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_A=L_1+\cos {\mathrm{\α}}_1\\ y_A=L_1+\sin {\mathrm{\α}}_1\end{array}\right.$

建立B点的坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{B=V/(1+a^2)}\\ y_B=a{x}_B+b\end{array}\right.,$

A、B的连线与X轴的夹角为：

${\mathrm{\α}}_2=\arctan \left(\frac{y_B-y_A}{x_B-x_A}\right)$

翼型的偏角为：

δ_flap＝α₂-α₂₀

当翼型偏转时，翼型上任一点的位置坐标为：

flap_rot＝[M]flap₀

$\left[M\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}& -\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}& x_{\mathrm{Brot}}-x_{B0}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}+y_{B0}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}\\ \sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}& \cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}& y_{\mathrm{Brot}}-x_{B0}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}-y_{B0}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

根据以上表达式，在OA、AB的长度L1、L2及其初始位置信息以及滑轨B的几何信息已知的情况下，即可获得运动过程中随翼型偏角变化的翼型坐标，即运动轨迹，该轨迹为偏角的函数；

第三步，获得起飞与着陆状态下气动外形及其翼型的缝道参数：根据第二步中运动轨迹的函数，输入起飞、着陆状态翼型的偏角，得到起飞与着陆状态下增升装置翼型的坐标位置并求出搭接量与缝道宽度，从而得到起飞、着陆状态下的气动外形；翼型搭接量为翼型后缘与翼型前缘水平方向坐标值之差，缝道宽度为翼型后缘到主翼或缝翼的最小距离；

第四步，计算增升装置二维气动力：求解Navior-Stokes方程得到增升装置二维起飞、着陆构型气动力数据，气动力数据包括升力系数、阻力系数、力矩系数以及升阻比；

第五步，增升装置缝道参数优化：

重复第二步至第四步，对满足起飞与着陆气动性能要求的运动机构的几何参数以及翼型偏角数进行寻优，直至获得最优结果。

所述第五步中进行寻优的方法为，通过改变运动机构数学模型中的各个参数得到不同的运动轨迹，在此基础上获得某偏角下增升装置二维起飞和着陆构型，在约束条件下根据起飞着陆状态气动力系数对目标函数进行加权。

约束条件包括着陆状态失速攻角和力矩系数、给定小攻角下着陆与起飞状态升力系数、起飞状态失速攻角和升阻比。

目标函数包括着起飞和陆状态最大升力系数最大。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过模拟增升装置运动机构整个轨迹曲线来获得起飞构型与着陆构型缝道参数，在保证轨迹实现的基础上能够实现增升装置起飞构型与着陆构型的同步优化设计。

(2)本发明能够在气动设计阶段对增升装置的运动轨迹几何尺寸进行约束，以避免运动机构尺寸过大给后期结构设计、重量以及整流装置设计带来不便。

附图说明

图1为本发明增升装置缝道参数示意图；

图2为本发明襟翼连杆滑轨机构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

增升装置由前缘缝翼、主翼以及后缘襟翼组成，是机翼的重要组成部分。其中后缘襟翼又可分为单缝襟翼以及多缝襟翼。在起飞着陆过程中，在运动机构的驱动下机翼的缝翼和襟翼分别向前后偏转移动，为飞机提供了足够的气动力。在增升装置气动设计过程中，首先要根据机翼二维翼型剖面进行二维增升装置设计。

第一步：在二维翼型的基础上进行二维增升装置气动外形设计；

采用Bezier曲线对增升装置曲面外形进行设计，其表达式为：

$Q\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i{B}_i^n\left(t\right),0\≤t\≤1$

其中Q(t)为曲线上任一点的坐标；p_i(0≤t≤1)为曲线控制点的相应坐标值，为Bernstein多项式，其二项式形式为：

$B_i^n\left(t\right)=C_n^i{t}^i{(1-t)}^{n-i}$

Bezier曲线高阶可导，因此完全能够保证剖分翼型光滑连续并与原始翼型相切。

第二步：进行二维运动机构运动轨迹设计。

建立运动机构简化模型，并对运动轨迹进行数学建模。通过设计运动机构相应的几何参数得到该机构的运动轨迹。增升装置的运动机构有多种形式，其中襟翼的运动机构有铰链式机构、四连杆机构、丝杠滑轨机构和连杆滑轨机构等形式，缝翼的运动机构主要是滑轨机构。

以襟翼滑轨机构连杆为例，其简化形式如图2所示。连杆滑轨机构主要由直线滑轨与连杆组成，连杆在滑轨的前方，并且直线滑轨是倾斜的。一个襟翼由两套连杆滑轨机构控制其运动。襟翼在收起位置时，驱动连杆向前倾斜，滑轨向下倾斜。当襟翼打开的时候，驱动连杆沿逆时针方向旋转，带动襟翼向机翼尾部运动。

其中A点的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_A=L_1+\cos {\mathrm{\α}}_1\\ y_A=L_1+\sin {\mathrm{\α}}_1\end{array}\right.$

B点的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{B=V/(1+a^2)}\\ y_B=a{x}_B+b\end{array}\right.,$

AB杆与X轴的夹角为：

${\mathrm{\α}}_2=\arctan \left(\frac{y_B-y_A}{x_B-x_A}\right)$

襟翼的偏角为：

δ_flap＝α₂-α₂₀

当襟翼偏转时，襟翼上任一点的位置坐标为：

flap_rot＝[M]flap₀

$\left[M\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}& -\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}& x_{\mathrm{Brot}}-x_{B0}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}+y_{B0}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}\\ \sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}& \cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}& y_{\mathrm{Brot}}-x_{B0}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}-y_{B0}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

根据以上表达式，只要给出驱动连杆OA、AB的长度L1、L2及其初始位置信息以及滑轨B的几何信息，即可获得运动过程中随襟翼偏角变化的襟翼坐标，即偏转轨迹。该轨迹是偏角的函数。

同样可以构建采用其他运动机构的襟翼(例如铰链机构、四连杆机构)以及缝翼(例如滑轨机构)的运动表达式并根据各自的位移方程获得相应的运动轨迹。

第三步：获得起飞与着陆外形及其缝翼和襟翼的缝道参数

缝翼与襟翼的缝道参数包括偏角、搭接量以及缝道宽度，如图1。根据第二步中的运动轨迹函数，输入起飞、着陆状态缝翼与襟翼的偏角(相对于巡航状态的偏转角度)，即可得到起飞与着陆状态下增升装置缝翼与襟翼的坐标位置并求出搭接量与缝道宽度，从而得到起飞、着陆状态下的气动外型。缝翼搭接量为缝翼后缘与主翼前缘水平方向(通常为X方向)坐标值之差，缝道宽度为缝翼后缘到主翼的最小距离；襟翼搭接量为主翼后缘与襟翼前缘水平方向(通常为X方向)坐标值之差，缝道宽度为主翼后缘到缝翼的最小距离。

第四步：增升装置二维气动力计算。

求解Navior-Stokes方程得到增升装置二维起飞、着陆构型气动力数据，气动力数据包括升力系数、阻力系数、力矩系数以及升阻比等。

第五步：增升装置缝道参数优化

采用先进优化算法，重复第二步至第四步，对满足起飞与着陆气动性能要求的优化参数进行寻优，直至获得最优结果。优化参数包括运动机构的几何参数以及缝翼和襟翼偏角。通过改变运动机构数学模型中的各个参数得到不同的运动轨迹，在此基础上获得某偏角下增升装置二维起飞和着陆构型，在约束条件下根据起飞着陆状态气动力系数对目标函数进行加权。约束条件包括着陆状态失速攻角和力矩系数、给定小攻角下着陆与起飞状态升力系数、起飞状态失速攻角和升阻比等，目标函数包括着起飞和陆状态最大升力系数最大等。

本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种考虑运动轨迹的增升装置优化设计方法，其特征在于，具体步骤为：

第一步，进行二维增升装置气动外形设计：采用Bezier曲线对增升装置曲面外形进行设计；

第二步，在步骤一曲面外形基础上，进行二维增生装置运动轨迹设计：建立运动表达式并根据其位移方程获得相应的运动轨迹；在二维坐标系中建立A点的坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_A=L_1+{\cos \mathrm{\α}}_1\\ y_A=L_1+{\sin \mathrm{\α}}_1\end{array}\right.$

建立B点的坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_B=v/(1+a^2)\\ y_E={\mathrm{ax}}_B+b\end{array}\right.,$

V＝(x_A+ay_A-ab)

A、B的连线与X轴的夹角为：

${\mathrm{\α}}_2=\arctan \left(\frac{y_B-y_A}{x_B-x_A}\right)$

翼型的偏角为：

δ_flap＝α₂-α₂₀

当翼型偏转时，翼型上任一点的位置坐标为：

flap_rot＝[M]flap₀

$\left[M\right]-\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}& -\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}& x_{\mathrm{Brot}}-x_{B0}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}+y_{B0}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}\\ \sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}& \cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}& y_{\mathrm{Brot}}-x_{B0}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}-y_{B0}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{flap}}\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

根据以上表达式，在OA、AB的长度L1、L2及其初始位置信息以及滑轨B的几何信息已知的情况下，即可获得运动过程中随翼型偏角变化的翼型坐标，即运动轨迹，该轨迹为偏角的函数；

第三步，获得起飞与着陆状态下气动外形及其翼型的缝道参数：根据第二步中运动轨迹的函数，输入起飞、着陆状态翼型的偏角，得到起飞与着陆状态下增升装置翼型的坐标位置并求出搭接量与缝道宽度，从而得到起飞、着陆状态下的气动外形；翼型搭接量为翼型后缘与翼型前缘水平方向坐标值之差，缝道宽度为翼型后缘到主翼或缝翼的最小距离；

第四步，计算增升装置二维气动力：求解Navior-Stokes方程得到增升装置二维起飞、着陆构型气动力数据，气动力数据包括升力系数、阻力系数、力矩系数以及升阻比；

第五步，增升装置缝道参数优化：

重复第二步至第四步，对满足起飞与着陆气动性能要求的运动机构的几何参数以及翼型偏角数进行寻优，直至获得最优结果。

2.如权利要求1所述的一种考虑运动轨迹的增升装置优化设计方法，其特征在于，所述第五步中进行寻优的方法为，通过改变运动机构数学模型中的各个参数得到不同的运动轨迹，在此基础上获得某偏角下增升装置二维起飞和着陆构型，在约束条件下根据起飞着陆状态气动力系数对目标函数进行加权。

3.如权利要求2所述的一种考虑运动轨迹的增升装置优化设计方法，其特征在于，约束条件包括着陆状态失速攻角和力矩系数、给定小攻角下着陆与起飞状态升力系数、起飞状态失速攻角和升阻比。

4.如权利要求2所述的一种考虑运动轨迹的增升装置优化设计方法，其特征在于，目标函数包括着起飞和陆状态最大升力系数最大。