CN105468851A - 一种确定飞机动态重量特性的方法 - Google Patents

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杨凯
姚艳
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Abstract

本发明提供一种确定飞机动态重量特性的方法，属于飞机总体设计领域中的重量设计，用于分析在过载条件下全机动态重量特性，包括：S1，建立油箱模型并确定隔板模型；S2，在S1所建立的油箱模型中确定油箱内油量及液面位置；S3，分析飞机过载信息并确定燃油所受载荷、使用空机及外挂载荷重量特性信息；S4，根据S2中的油量及液面位置对S1中建立的油箱模型空间进行离散化处理，S5，结合S3中确定的燃油所受载荷，对S4中得到的有限元模型进行仿真处理；S6，根据S5中得到的燃油动态重量特性，结合S3，得到全机动态重量特性数据。本发明提供的确定飞机动态重量特性的方法准确的追踪自由液面的变化情况，计算出燃油乃至全机的动态重量特性的方法。

Description

一种确定飞机动态重量特性的方法
技术领域
本发明涉及飞机总体设计领域中的重量设计，具体而言，涉及一种确定飞机动态重量特性的方法。
背景技术
飞机的重量特性是飞机设计的重要原始数据与设计参数，不仅影响飞机的载荷、性能、操稳、颤振等多个领域的设计工作。飞机重量、重心的计算，主要有三部分组成：空机、武器装载和燃油。通常空机及武器装载的重量、重心是固定的，较容易得到的；对于处于连续或不连续变化的燃油的重量、重心的准确计算是比较困难的，也是飞机重量特性实时解算的关键所在。
开展飞机动态重量特性分析工作，主要有以下三方面制约因素：一是在飞机不同姿态(攻角、滚转角)静态条件下，油箱结构的不规则性影响燃油重量特性结果；二是飞机机动过载，油面角变化及燃油流动、碰撞、飞溅等影响燃油重量特性计算结果；三是由于燃油消耗影响其重量特性计算结果。
国内主要航空院所采用的燃油重量特性分析工具是基于“飞行角度不变、油箱高度方向等截面、不考虑设备特性”等假设的，分析过程是稳态的。上述假设决定了分析过程不能真实反映液体流体特性和燃油系统特性，并且存在着不能根据飞行剖面进行动态分析的问题，大大降低了飞机动态重量特性数据计算结果的精度。
现在亟需解决的问题是如何设计一种确定飞机动态重量特性的方法,进而克服上述现有技术中的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中的不足，提供一种确定飞机动态重量特性的方法。
本领域技术人员可以理解的是，在飞机动态变化过程中，油箱中的燃油的重量特性是影响整个飞机动态重量特性的关键，因为除油箱外的其它飞机结构为固态结构件，对飞机动态重量特性几乎无影响。本发明的目的通过如下技术方案实现：一种确定飞机动态重量特性的方法，用于分析在过载条件下全机动态重量特性，通过对燃油在过载条件下的动态重量特性分析确定飞机动态重量特性，包括如下步骤:
S1，建立油箱模型并确定隔板模型；
S2，在S1所建立的油箱模型中确定油箱内油量及液面位置；
S3，分析飞机过载信息并确定燃油所受载荷、使用空机及外挂载荷重量特性信息；
S4，根据S2中的油量及液面位置对S1中建立的油箱模型空间进行离散化处理，得到有限元模型；
S5，结合S3中确定的燃油所受载荷，对S4中得到的有限元模型进行仿真处理，得到燃油动态重量特性；
S6，根据S5中得到的燃油动态重量特性，结合S3中使用空机及外挂载荷重量特性信息，得到全机动态重量特性数据。
上述方案中优选的是，S1中的油箱模型即为油箱内燃油运动空间；隔板模型为油箱内设备、管路、框板的结构模型。
上述任一方案中优选的是，S3中所述的飞机过载信息包括：加速度、角速度、角加速度随时间变化信息。
上述任一方案中优选的是，S4中离散化处理的过程包括在油箱模型中根据油箱形状、隔板模型、油量信息选取相匹配的切分单元。
上述任一方案中优选的是，通过S4中切分单元得到不同姿态、不同过载作用下燃油动态重量特性，并模拟燃油液面变化，分析油箱的物理特征对机内燃油重量特性的影响。
上述任一方案中优选的是，燃油的物理特征包括燃油的流动、碰撞、飞溅，油箱内气体、燃油、油箱结构的耦合作用。
本发明所提供的确定飞机动态重量特性的方法的有益效果在于，充分体现液体特性、设备特性和飞行特性，将分析过程与实际飞行过程进行匹配分析，准确的追踪自由液面的变化情况，使其精确地模拟具有自由界面的流动，计算动态自由液面的交界聚合与飞溅流动，计算出燃油乃至全机的重量、重心、转动惯量的动态变化。
附图说明
图1是按照本发明的确定飞机动态重量特性的方法的一优选实施例的流程示意图；
图2是按照本发明的确定飞机动态重量特性的方法的图1所示优选实施例的某型飞机重心动态变化图。
具体实施方式
为了更好地理解按照本发明方案的确定飞机动态重量特性的方法，下面结合附图对本发明的确定飞机动态重量特性的方法的优选实施例作进一步阐述说明。
本发明提供的确定飞机动态重量特性的方法，用于分析在过载条件下全机动态重量特性，其特征在于，通过对燃油在过载条件下的动态重量特性分析确定飞机动态重量特性，包括如下步骤:
S1，建立油箱模型并确定隔板模型；
S2，在S1所建立的油箱模型中确定油箱内油量及液面位置；
S3，分析飞机过载信息并确定燃油所受载荷、使用空机及外挂载荷重量特性信息；
S4，根据S2中的油量及液面位置对S1中建立的油箱模型空间进行离散化处理，得到有限元模型；
S5，结合S3中确定的燃油所受载荷，对S4中得到的有限元模型进行仿真处理，得到燃油动态重量特性；
S6，根据S5中得到的燃油动态重量特性，结合S3中使用空机及外挂载荷重量特性信息，得到全机动态重量特性数据。
上述确定飞机动态重量特性的方法的S1-S6中，S1中的油箱模型即为油箱内燃油运动空间；隔板模型为油箱内设备、管路、框板的结构模型。S3中所述的飞机过载信息包括：加速度、角速度、角加速度随时间变化信息。S4中离散化处理的过程包括在油箱模型中根据油箱形状、隔板模型、油量信息选取相匹配的切分单元。通过S4中切分单元得到不同姿态、不同过载作用下燃油动态重量特性，并模拟燃油液面变化，分析油箱的物理特征对机内燃油重量特性的影响。燃油的物理特征包括燃油的流动、碰撞、飞溅，油箱内气体、燃油、油箱结构的耦合作用。
在具体使用本发明提供的确定飞机动态重量特性的方法过程中，以某型飞机为动态重量特性试验对象，采用本发明的确定飞机动态重量特性的方法进行全机动态重量特性分析，分析步骤如下：
(一)建立油箱模型并确定隔板模型；
在软件系统中建立油箱模型，通过油箱位置、形状、外部结构确定油箱模型；油箱模型内的设备、管路、框板结构都会对燃油的运动起到阻隔作用，根据油箱内设备、管路、框板结构模型确定油箱内的隔板模型。
在建立油箱模型的过程中，为保证计算效率，对不影响整体结果的油箱结构的局部细节(例如油箱中倒角和筋条)进行简化处理。
(二)根据飞机耗油规律、总油量计算各个油箱油量及液面位置；
飞机的耗油规律规定了飞机各个油箱的燃油消耗顺序和消耗量，同意飞机的耗油规律是固定的，根据飞机某一时刻的总油量即可对应耗油规律查询各个油箱内的油量分布情况，进而计算出各个油箱内燃油的体积、进而确定液面位置。
在油箱模型中设置液面位置后，即得到燃油模型。
(三)分析飞机过载信息并确定燃油所受载荷、使用空机及外挂载荷重量特性信息；
根据飞行剖面信息，设置燃油所受的载荷，飞机飞行剖面信息是指飞机在执行某种飞行任务过程中所受到的载荷和飞行姿态的变化，该部分的载荷即为机内燃油所受到的载荷。
使用空机即为飞机为挂载武器、未加油状态的飞机；外挂载荷即为飞机所要挂载的武器，这两部分重量特性信息在飞行剖面中直接读取。
(四)对油箱模型空间进行离散化处理，得到有限元模型；
通过自适应网格得到对燃油模型空间进行网格划分，得到有限元模型，针对模型形状、隔板形状、油量设置网格尺寸和数量，该机型5个油箱网格数量分别为12000、20000、13000、8000、9000个。
该项目中5个油箱的长度均为1～2.5米，而里面挡板的最小厚度约为毫米量级。挡板厚度与油箱整体尺寸相差较大，为了能够正确模拟挡板对油箱晃荡的影响，对整个网格做合理规划，对空间较为复杂的部分网格细化，其余空间网格不需细化。
对有限元网格进行重量特性仿真；
以时间为单位，结合(三)中的载荷数据和(四)中的有限元网格，对燃油晃荡情况进行仿真，得到燃油重量特性随时间变化数据。
完成全机动态重量特性仿真。
根据(五)中的分析结果和(三)中得到的使用空机和外挂载荷重量特性数据叠加计算得到全机动态重量特性变化数据。
全机动态重量计算结果充分体现液体特性、设备特性和飞行特性，三者融合，将分析过程与实际飞行过程进行匹配分析，准确的追踪自由液面的变化情况，使其精确地模拟具有自由界面的流动，计算动态自由液面的交界聚合与飞溅流动，计算出燃油乃至全机的重量、重心、转动惯量的动态变化。
本发明提供的确定飞机动态重量特性的方法突破常规研究思路，采用流体自适应方法，充分体现液体特性、设备特性和飞行特性，三者融合，将分析过程与实际飞行过程进行匹配分析，准确的追踪自由液面的变化情况，使其精确地模拟具有自由界面的流动，计算动态自由液面的交界聚合与飞溅流动，进而计算出燃油乃至全机的重量、重心、转动惯量的动态变化，形成动态仿真能力。
以上结合本发明的确定飞机动态重量特性的方法具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改均属于本发明的技术范围，还需要说明的是，按照本发明的确定飞机动态重量特性的方法技术方案的范畴包括上述各部分之间的任意组合。

Claims (6)

1.一种确定飞机动态重量特性的方法，用于分析在过载条件下全机动态重量特性，其特征在于，通过对燃油在过载条件下的动态重量特性分析确定飞机动态重量特性，包括如下步骤:
S1，建立油箱模型并确定隔板模型；
S2，在S1所建立的油箱模型中确定油箱内油量及液面位置；
S3，分析飞机过载信息并确定燃油所受载荷、使用空机及外挂载荷重量特性信息；
S4，根据S2中的油量及液面位置对S1中建立的油箱模型空间进行离散化处理，得到有限元模型；
S5，结合S3中确定的燃油所受载荷，对S4中得到的有限元模型进行仿真处理，得到燃油动态重量特性；
S6，根据S5中得到的燃油动态重量特性，结合S3中使用空机及外挂载荷重量特性信息，得到全机动态重量特性数据。
2.如权利要求1所述的确定飞机动态重量特性的方法，其特征在于，S1中的油箱模型即为油箱内燃油运动空间；隔板模型为油箱内设备、管路、框板结构模型。
3.如权利要求1所述的确定飞机动态重量特性的方法，其特征在于，S3中所述的飞机过载信息包括：加速度、角速度、角加速度随时间变化信息。
4.如权利要求1所述的确定飞机动态重量特性的方法，其特征在于，S4中离散化处理的过程包括在油箱模型中根据油箱形状、隔板模型、油量信息选取相匹配的切分单元。
5.如权利要求1或4所述的确定飞机动态重量特性的方法，其特征在于，通过S4中切分单元得到不同姿态、不同过载作用下燃油动态重量特性，并模拟燃油液面变化，分析油箱的物理特征对机内燃油重量特性的影响。
6.如权利要求5所述的确定飞机动态重量特性的方法，其特征在于，燃油的物理特征包括燃油的流动、碰撞、飞溅，油箱内气体、燃油、油箱结构的耦合作用。
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