CN105205293A - 用于获得飞机部件气动载荷的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于获得飞机部件气动载荷的方法和系统。该方法包括：输入飞机部件外形数模、压力分布数据库和计算工况；结合飞机部件外形数模和压力分布数据库，采用网格化向量法获得力系数与力矩系数数据库；基于力系数与力矩系数数据库，插值获得计算工况下的力系数与力矩系数，进而获得飞机部件气动载荷。本发明的用于获得飞机部件气动载荷的方法和系统能起到以下有益技术效果：数学原理正确，实施操作容易便捷，对于处理飞机不规则结构的气动载荷具有显著的优越性，提高工作效率；适用于飞机任何部件的气动载荷求解，并且能够考虑飞机外形，优于传统的剖面积分法。

Description

用于获得飞机部件气动载荷的方法和系统

技术领域

本发明涉及用于获得飞机部件气动载荷的方法和系统。

背景技术

基于风洞试验测压数据或者计算流体力学专业提供的部件压力分布数据库，可以计算求解飞机在指定工况下的部件总载荷和分布载荷，以供强度专业进行强度计算分析。

飞行载荷专业把风洞测压数据或者计算流体力学专业提供的压力分布数据处理成飞机部件气动载荷的常规方法是剖面积分法。这种方法的核心是对飞机部件进行投影，并在投影面内获取计算部件气动载荷的基本要素(如作用中心、面积、力臂等)，这些因素往往需要手动操作获取，而手动获取这些要素的工作量大、操作复杂、完成周期长，如果部件构型发生变化，返工周期长，效率低下。并且，这种方法无法考虑飞机部件的真实外形，特别是对形状不规则的小部件，计算精度不足，计算效率不高。

发明内容

本发明的一个目的在于，提供一种用于获得飞机部件气动载荷的方法和系统，其可克服现有技术方法(剖面积分法)和系统的上述缺陷。

本发明的以上目的通过一种用于获得飞机部件气动载荷的方法来实现，所述方法包括：

输入飞机部件外形数模、压力分布数据库和计算工况；

结合所述飞机部件外形数模和所述压力分布数据库，采用网格化向量法获得力系数与力矩系数数据库；

基于所述力系数与力矩系数数据库，插值获得所述计算工况下的力系数与力矩系数，进而获得飞机部件气动载荷。

根据上述技术方案，本发明的用于获得飞机部件气动载荷的方法能起到以下有益技术效果：网格化向量法数学原理正确，实施操作容易便捷，对于处理飞机不规则结构的气动载荷具有显著的优越性，可以大大提高工作效率；网格化向量法具有普适性，适用于飞机任何部件的气动载荷求解，并且能够考虑飞机外形，优于传统的剖面积分法。

较佳的是，采用网格化向量法获得力系数与力矩系数数据库包括：

对所述飞机部件外形数模进行网格化以获取网格点库和铰链轴点；

基于所述网格点库和所述铰链轴点获得网格中心，构造出基础向量；

基于所述压力分布数据库插值获得网格中心处压力数据；

基于构造出的基础向量，通过空间向量法获得网格气动力与力矩的几何要素；

基于网格中心处压力数据与网格气动力与力矩的几何要素，利用力与力矩公式求解出各个网格的气动载荷；

对各个网格的气动载荷进行积分以获得飞机部件气动载荷；

对所述飞机部件气动载荷进行无量纲化以构造出所述力系数与力矩系数数据库。

根据上述技术方案，本发明的用于获得飞机部件气动载荷的方法能起到以下有益技术效果：通过合适的网格化向量法流程设计，更准确、高效地获得飞机部件气动载荷。

较佳的是，所述网格气动力与力矩的要素库包括气动要素和几何要素。

根据上述技术方案，本发明的用于获得飞机部件气动载荷的方法能起到以下有益技术效果：进一步准确、高效地获得飞机部件气动载荷。

较佳的是，所述气动要素包括动压和网格中心处压力系数。

根据上述技术方案，本发明的用于获得飞机部件气动载荷的方法能起到以下有益技术效果：更进一步准确、高效地获得飞机部件气动载荷。

较佳的是，所述几何要素包括网格单位法向向量、网格面积、网格气动力力臂、以及网格气动力与铰链轴夹角。

根据上述技术方案，本发明的用于获得飞机部件气动载荷的方法能起到以下有益技术效果：更进一步准确、高效地获得飞机部件气动载荷。

本发明的以上目的还通过一种用于获得飞机部件气动载荷的系统来实现，所述系统包括：

输入模块，用于输入飞机部件外形数模、压力分布数据库和计算工况；

网格化向量法模块，用于结合所述飞机部件外形数模和所述压力分布数据库，采用网格化向量法获得力系数与力矩系数数据库；

插值模块，用于基于所述力系数与力矩系数数据库，插值获得所述计算工况下的力系数与力矩系数，进而获得飞机部件气动载荷。

根据上述技术方案，本发明的用于获得飞机部件气动载荷的系统能起到以下有益技术效果：网格化向量法数学原理正确，实施操作容易便捷，对于处理飞机不规则结构的气动载荷具有显著的优越性，可以大大提高工作效率；网格化向量法具有普适性，适用于飞机任何部件的气动载荷求解，并且能够考虑飞机外形，优于传统的剖面积分法。

较佳的是，所述网格化向量法模块包括：

点库获取子模块，用于对所述飞机部件外形数模进行网格化以获取网格点库和铰链轴点；

基础向量构造子模块，用于基于所述网格点库和所述铰链轴点获得网格中心，构造出基础向量；

压力数据获取子模块，用于基于所述压力分布数据库插值获得网格中心处压力数据；

几何要素获取子模块，用于基于构造出的基础向量，通过空间向量法获得网格气动力与力矩的几何要素；

网格气动载荷求解子模块，用于基于网格中心处压力数据与网格气动力与力矩的几何要素利用力与力矩公式求解出各个网格的气动载荷；

积分子模块，用于对各个网格的气动载荷进行积分以获得飞机部件气动载荷；

无量纲化子模块，用于对所述飞机部件气动载荷进行无量纲化以构造出所述力系数与力矩系数数据库。

根据上述技术方案，本发明的用于获得飞机部件气动载荷的系统能起到以下有益技术效果：通过合适的网格化向量法模块设计，更准确、高效地获得飞机部件气动载荷。

较佳的是，所述网格气动力与力矩的要素库包括气动要素和几何要素。

根据上述技术方案，本发明的用于获得飞机部件气动载荷的方法能起到以下有益技术效果：进一步准确、高效地获得飞机部件气动载荷。

较佳的是，所述气动要素包括动压和网格中心处压力系数。

根据上述技术方案，本发明的用于获得飞机部件气动载荷的方法能起到以下有益技术效果：更进一步准确、高效地获得飞机部件气动载荷。

较佳的是，所述几何要素包括网格单位法向向量、网格面积、网格气动力力臂、以及网格气动力与铰链轴夹角。

根据上述技术方案，本发明的用于获得飞机部件气动载荷的方法能起到以下有益技术效果：更进一步准确、高效地获得飞机部件气动载荷。

附图说明

图1是本发明一实施例的用于获得飞机部件气动载荷的方法的流程图。

图2是本发明一实施例的网格化向量法的流程图。

图3是本发明一实施例的用于获得飞机部件气动载荷的系统的示意图。

图4是本发明一实施例的网格化向量的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

图1是本发明一实施例的用于获得飞机部件气动载荷的方法的流程图。如图1所示，根据本发明的一实施例，用于获得飞机部件气动载荷的方法包括：输入飞机部件外形数模、压力分布数据库和计算工况；结合飞机部件外形数模和压力分布数据库，采用网格化向量法获得力系数与力矩系数数据库；基于力系数与力矩系数数据库，插值获得计算工况下的力系数与力矩系数，进而获得飞机部件气动载荷。

飞机外形数模：能够提供飞机部件的具体外形。

压力分布数据库：由风洞试验或者计算流体专业提供的不同状态下(例如不同马赫数、不同攻角、侧滑角及各种控制面偏角等)的压力分布数据。压力分布通常指飞机部件上不同位置处的压力系数(压力系数＝本地压强/动压)。

计算工况：这里指飞机在飞行中的不同状态。描述飞机飞行的状态量有马赫数(或速度)、飞行高度、动压、攻角、侧滑角及各种控制面偏角等。

网格化向量法：详见图2。

力系数与力矩系数数据库：-不同马赫数、攻角、侧滑角等情况下力系数与力矩系数组成的集合。

插值：此处插值是以力系数与力矩系数数据库为基础，以计算工况中的不同马赫数、攻角、侧滑角等为插值变量，插值可获得计算工况下的力系数和力矩系数，进而可以获得飞机部件气动载荷。。

飞机部件气动载荷：为计算工况下的部件气动载荷结果。

图2是本发明一实施例的网格化向量法的流程图。如图2所示，根据本发明的一实施例，采用网格化向量法获得力系数与力矩系数数据库包括：对飞机部件外形数模进行网格化以获取网格点库和铰链轴点；基于网格点库和铰链轴点获得网格中心，构造出基础向量；基于压力分布数据库插值获得网格中心处压力数据；基于构造出的基础向量，通过空间向量法获得网格气动力与力矩的几何要素；基于网格中心处压力数据与网格气动力与力矩的几何要素，利用力与力矩公式求解出各个网格的气动载荷；对各个网格的气动载荷进行积分以获得飞机部件气动载荷；对飞机部件气动载荷进行无量纲化以构造出力系数与力矩系数数据库。

压力分布数据库：与图1中所述压力分布数据库相同。

飞机外形数模：与图1中所述飞机外形数模相同。

网格化：就是把飞机部件外形划分成网格。

网格点库与铰链轴点：经过网格化得到飞机外形的所有网格点，加上铰链轴点，有了这些基础信息，就可以通过空间向量法计算得到力与力矩的几何要素，这正是与传统方法(大量重复冗杂的人力操作获取几何要素)的不同所在，需要的基本信息特别简单，只需要网格点和铰链轴点即可。

构造基础向量：两个点就能构造出一个向量，每个网格的基础向量包括：能够代表网格分块的2个向量(可由四个网格点构成)、铰链轴向量(可由铰链轴上的任意两个点构成)和网格中心点与任一铰链轴点构成的向量。

基础向量库：由所有网格的基础向量组成的向量库。

空间向量法：这里采用空间向量法获取网格气动载荷的几何基本要素，包括：网格的单位法向向量、网格面积、网格气动力到铰链轴的力臂、网格气动力与铰链轴的空间夹角。

插值：与图1中不同的是，这里的插值是以压力分布数据库为基础，以网格中心点坐标为插值变量，用于获得每个网格中心处的压力数据。

网格气动力与力矩的要素库：求解网格气动力和力矩的要素包括：气动要素(网格中心处压力系数与动压)和几何要素(网格单位法向向量、网格面积、网格气动力到铰链轴的力臂、网格气动力与铰链轴的空间夹角)，所有网格的要素组成网格气动力与力矩的要素库。

力与力矩求解公式： $\stackrel{\→}{F}=q\·Cp\·s\·\stackrel{\→}{n},M=\left|\stackrel{\→}{F}\right|\sin \mathrm{\θ}\·d.$ 其中：q为动压，一般由计算工况直接提供或由计算工况中提供的其他条件计算而来；Cp为压力系数；s为面积；为单位法向向量；θ气动力与铰链轴的夹角；d为气动力到铰链轴的距离，即网格气动力力臂。

网格气动载荷：网格气动力和力矩(力矩是网格气动力对铰链轴或指定轴的力矩)。

部件气动载荷：部件总气动载荷，网格气动载荷叠加之后的总和。

无量纲化：力和力矩通过无量纲化之后就会变成力系数与力矩系数。即

$\left\{\begin{array}{c}{C}_F=\stackrel{\→}{F}/\left(q\·S_{ref}\right)\\ C_M=M/\left(q\·S_{ref}\·\stackrel{\‾}{C}\right)\end{array}\right.$

其中：C_F和C_M分别为力系数与力矩系数；q为动压；S_ref为参考面积，通常选取机翼参考面积；为参考长度，可以选取机翼平均气动弦长作为参考长度。

力系数与力矩系数数据库：压力分布数据库中所有状态下(不同马赫数、攻角、侧滑角等)的力系数与力矩系数的集合。

较佳的是，网格气动力与力矩的要素库包括气动要素和几何要素。

较佳的是，气动要素包括动压和网格中心处压力系数。

较佳的是，几何要素包括网格单位法向向量、网格面积、网格气动力力臂、以及网格气动力与铰链轴夹角。

图3是本发明一实施例的用于获得飞机部件气动载荷的系统的示意图。如图3所示，根据本发明的一实施例，用于获得飞机部件气动载荷的系统包括：输入模块，用于输入飞机部件外形数模、压力分布数据库和计算工况；网格化向量法模块，用于结合飞机部件外形数模和压力分布数据库，采用网格化向量法获得力系数与力矩系数数据库；插值模块，用于基于力系数与力矩系数数据库，插值获得计算工况下的力系数与力矩系数，进而获得飞机部件气动载荷。

较佳的是，网格化向量法模块包括：点库获取子模块，用于对飞机部件外形数模进行网格化以获取网格点库和铰链轴点；基础向量构造子模块，用于基于网格点库和铰链轴点获得网格中心，构造出基础向量；压力数据获取子模块，用于基于压力分布数据库插值获得网格中心处压力数据；几何要素获取子模块，用于基于构造出的基础向量，通过空间向量法获得网格气动力与力矩的几何要素；网格气动载荷求解子模块，用于基于网格中心处压力数据和网格气动力与力矩的几何要素利用力与力矩公式求解出各个网格的气动载荷；积分子模块，用于对各个网格的气动载荷进行积分以获得飞机部件气动载荷；无量纲化子模块，用于对飞机部件气动载荷进行无量纲化以构造出力系数与力矩系数数据库。

较佳的是，网格气动力与力矩的要素库包括气动要素和几何要素。

较佳的是，气动要素包括动压和网格中心处压力系数。

较佳的是，几何要素包括网格单位法向向量、网格面积、网格气动力力臂、以及网格气动力与铰链轴夹角。

图4是本发明一实施例的网格化向量的示意图。例如飞机某部件的外形经过网格化后得到了N个气动网格，下面以第i个气动网格为例说明网格气动载荷的获取过程。

如图4所示，AB为铰链轴，A、B为两个铰链轴点，网格由4个网格点(g₁、g₂、g₃和g₄)组成。

则网格中心点gⁱ _c坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_C^i=(x_1+x_2+x_3+x_4)/4\\ y_C^i=(y_1+y_2+y_3+y_4)/4\\ z_C^i=(z_1+z_2+z_3+z_4)/4\end{array}\right.$

由g₁和g₃构成如： ${\stackrel{\→}{v}}_1=(x_3-x_1,y_3-y_1,z_3-z_1);$

由g₂和g₄构成如： ${\stackrel{\→}{v}}_2=(x_4-x_2,y_4-y_2,z_4-z_2);$

由点A和点B构成如： $\stackrel{\→}{a}=(x_A-x_B,y_A-y_B,z_A-z_B);$

由网格中心点gⁱ _c和点A构成如： ${\stackrel{\→}{b}}_i=(x_A-x_C^i,y_A-y_C^i,z_A-z_C^i).$

和四个向量构成了此网格的基础向量。基于基础向量可以获得网格气动载荷的几何要素，即网格单位法向向量、网格面积、网格气动力力臂(网格气动力到铰链轴的距离)和网格气动力与铰链轴夹角。

网格单位法向向量(几何要素1)：由基础向量通过以下公式获得。

${\stackrel{\→}{n}}_i=\frac{{\stackrel{\→}{v}}_1\×{\stackrel{\→}{v}}_2}{\left|{\stackrel{\→}{v}}_1\×{\stackrel{\→}{v}}_2\right|}$

网格面积(几何要素2)：

网格气动力力臂d_i(几何要素3)：网格气动力到铰链轴的力臂等于过网格中心的网格法向向量到铰链轴的距离，因此由以下公式可以获得网格气动力力臂。

$d_i=\frac{\left|{\stackrel{\‾}{b}}_i\·{\stackrel{\→}{n}}_i\×\stackrel{\‾}{a}\right|}{\left|{\stackrel{\→}{n}}_i\×\stackrel{\→}{a}\right|}$

网格气动力与铰链轴夹角θ_i(几何要素4)：此夹角等于网格法向向量与铰链轴的夹角，因此由以下公式可以获得网格气动力与铰链轴夹角。

基于压力分布数据库、网格中心坐标及计算工况，可以获取网格气动载荷的气动要素，即动压和网格中心处压力系数。

动压q(气动要素1)：通常由计算工况直接提供或者由其他条件间接推导得来。

网格中心处压力系数Cp_i(气动要素2)：基于压力系数数据库和网格中心位置，通过插值就能得到网格中心处压力系数。

基于以上的气动要素和几何要素，由以下公式就可以得到网格气动载荷：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{F}}_i=q\·{\mathrm{Cp}}_i\·s_i\·{\stackrel{\→}{n}}_i\\ M_i=\left|{\stackrel{\→}{F}}_i\right|{\mathrm{sin\θ}}_i\·d_i\end{array}\right.$

通过上述实施步骤，就能采用本发明提出的网格化向量法求解飞机部件的气动载荷。

以上对本发明的具体实施方式进行了描述，但本领域技术人员将会理解，上述具体实施方式并不构成对本发明的限制，本领域技术人员可以在以上公开内容的基础上进行多种修改，而不超出本发明的范围。

Claims (10)

1.一种用于获得飞机部件气动载荷的方法，包括：

输入飞机部件外形数模、压力分布数据库和计算工况；

结合所述飞机部件外形数模和所述压力分布数据库，采用网格化向量法获得力系数与力矩系数数据库；

基于所述力系数与力矩系数数据库，插值获得所述计算工况下的力系数与力矩系数，进而获得飞机部件气动载荷。

2.如权利要求1所述的用于获得飞机部件气动载荷的方法，其特征在于，采用网格化向量法获得力系数与力矩系数数据库包括：

对所述飞机部件外形数模进行网格化以获取网格点库和铰链轴点；

基于所述网格点库和所述铰链轴点获得网格中心，构造出基础向量；

基于所述压力分布数据库插值获得网格中心处压力数据；

基于构造出的基础向量，通过空间向量法获得网格气动力与力矩的几何要素；

基于网格中心处压力数据与网格气动力与力矩的几何要素，利用力与力矩公式求解出各个网格的气动载荷；

对各个网格的气动载荷进行积分以获得飞机部件气动载荷；

对所述飞机部件气动载荷进行无量纲化以构造出所述力系数与力矩系数数据库。

3.如权利要求2所述的用于获得飞机部件气动载荷的方法，其特征在于，所述网格气动力与力矩的要素库包括气动要素和几何要素。

4.如权利要求3所述的用于获得飞机部件气动载荷的方法，其特征在于，所述气动要素包括动压和网格中心处压力系数。

5.如权利要求3所述的用于获得飞机部件气动载荷的方法，其特征在于，所述几何要素包括网格单位法向向量、网格面积、网格气动力力臂、以及网格气动力与铰链轴夹角。

6.一种用于获得飞机部件气动载荷的系统，包括：

输入模块，用于输入飞机部件外形数模、压力分布数据库和计算工况；

网格化向量法模块，用于结合所述飞机部件外形数模和所述压力分布数据库，采用网格化向量法获得力系数与力矩系数数据库；

插值模块，用于基于所述力系数与力矩系数数据库，插值获得所述计算工况下的力系数与力矩系数，进而获得飞机部件气动载荷。

7.如权利要求6所述的用于获得飞机部件气动载荷的系统，其特征在于，所述网格化向量法模块包括：

点库获取子模块，用于对所述飞机部件外形数模进行网格化以获取网格点库和铰链轴点；

基础向量构造子模块，用于基于所述网格点库和所述铰链轴点获得网格中心，构造出基础向量；

压力数据获取子模块，用于基于所述压力分布数据库插值获得网格中心处压力数据；

几何要素获取子模块，用于基于构造出的基础向量，通过空间向量法获得网格气动力与力矩的几何要素；

网格气动载荷求解子模块，用于基于网格中心处压力数据与网格气动力与力矩的几何要素利用力与力矩公式求解出各个网格的气动载荷；

积分子模块，用于对各个网格的气动载荷进行积分以获得飞机部件气动载荷；

无量纲化子模块，用于对所述飞机部件气动载荷进行无量纲化以构造出所述力系数与力矩系数数据库。

8.如权利要求7所述的用于获得飞机部件气动载荷的系统，其特征在于，所述网格气动力与力矩的要素库包括气动要素和几何要素。

9.如权利要求8所述的用于获得飞机部件气动载荷的系统，其特征在于，所述气动要素包括动压和网格中心处压力系数。

10.如权利要求8所述的用于获得飞机部件气动载荷的系统，其特征在于，所述几何要素包括网格单位法向向量、网格面积、网格气动力力臂、以及网格气动力与铰链轴夹角。