CN109726478A - 一种适用于非轴对称层流短舱设计的参数化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于非轴对称层流短舱设计的参数化方法，包括：步骤1，对待变形短舱划分用于数值模拟的计算网格；步骤2，在待变形短舱表面搭建控制框架并布设控制点；步骤3，根据需求给定控制点的位移变化量；步骤4，利用径向基函数插值方法，根据待变形短舱表面的控制点、控制点的位移变化量和计算网格节点，计算待变形短舱表面的计算网格节点的位移变化量；步骤5，将待变形短舱表面的计算网格节点的坐标与待变形短舱表面的计算网格节点的位移变化量叠加，得到变形后的短舱。本发明通过搭建待变形短舱表面的控制框架并布设控制点，采用径向基函数插值技术，根据控制点的位移变化量快速准确地计算出变形后的层流短舱构型。

Description

一种适用于非轴对称层流短舱设计的参数化方法

技术领域

本发明涉及飞行器气动优化设计和外形参数化领域，尤其是一种适用于非轴对称层流短舱设计的参数化方法。

背景技术

在飞行器及其部件的气动优化设计过程中，气动外形参数化方法的性质对计算时间、设计空间的本质特性与范围有着十分深刻的影响。搜索设计空间的计算量随着设计参数的增加而呈指数倍增长，优化设计所选用的参数化方法在保证最优解包含在设计空间中的同时，必须能够使用尽量少的参数和足够高的精度来定义几何外形，以降低设计过程中的计算量。

现有参数化方法可以分为两大类：

1)直接几何外形参数化方法：CST翼型参数化方法、B样条曲面建模方法、非均匀有理B样条曲面建模方法；

2)调整基准几何外形的参数化方法：自由变形(Free Form Deformation,FFD)参数化方法、Wagner翼型参数化方法、Hicks-Henne翼型参数化方法。

在实际型号工程设计中，CST翼型参数化方法和自由变形参数化方法较为常用。

CST翼型参数化方法使用一个类别函数(Class Function)和一个形状函数(ShapeFunction)来表示几何外形的类别形状函数变换(Class-Shape-Transformation,CST)。类别函数用来定义几何外形的种类，从而形成基本的几何外形，所有同类型几何外形都由这个基本外形派生出来。形状函数的作用是对类别函数所形成的基本外形进行修正，从而生成设计过程所需要的几何外形。CST参数化方法在表示翼型等光滑几何外形时，具有简单直观、参数少和精度高的优点，但不具备几何外形的局部修改能力。

自由变形参数化方法在待变形的三维外形周围构造一个框架将其包围起来，并对该框架上的点与三维外形上的点构造映射关系。控制框架上的点被称为控制点，通过拉动控制点可以改变框架的形状，根据已经建立的映射关系，待变形的三维外形也会随着框架的变形而变形，并且新的外形可以根据框架的变形量和映射关系计算出来。该方法可方便地融入传统的造型系统中，可保持任意阶的导矢连续性，可整体、也可局部地使用，但在建立映射关系时，需要求解逻辑坐标，对于网格量较大的复杂外形，计算时间较长。

层流短舱一般是非轴对称构型，在设计过程中更为关注的是外壁面和唇口附近的形状，因此需要一种适用于局部变形的参数化方法；短舱的参数化建模仅是设计过程中的一部分，后续还伴随着计算网格变形和流场的数值模拟，因此期望短舱的参数化能够与后续工作模块紧密结合，统一处理。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种适用于非轴对称层流短舱设计的参数化方法，通过搭建待变形短舱表面的控制框架并布设控制点，采用径向基函数插值技术，根据控制点的位移变化快速准确地计算出变形后的层流短舱构型。

本发明采用的技术方案如下：

一种适用于非轴对称层流短舱设计的参数化方法，包括以下步骤：

步骤1，对待变形短舱划分用于数值模拟的计算网格；

步骤2，在待变形短舱表面搭建控制框架并布设控制点；

步骤3，根据需求给定控制点的位移变化量；

步骤4，利用径向基函数插值方法，根据待变形短舱表面的控制点、控制点的位移变化量和计算网格节点，计算待变形短舱表面的计算网格节点的位移变化量；

步骤5，将待变形短舱表面的计算网格节点的坐标与待变形短舱表面的计算网格节点的位移变化量叠加，得到变形后的短舱。

进一步地，步骤1中，所述用于数值模拟的计算网格采用结构网格或非结构网格。

进一步地，步骤2中，所述控制框架的搭建采用结构网格。

进一步地，步骤4中，利用径向基函数插值方法，根据控制点的位移变化量计算待变形短舱表面的计算网格节点的位移变化量的方法，具体包括：

步骤4.1，将控制点作为插值基点，并根据控制点构造插值基函数，并将控制点的位移变化量作为插值函数，从而计算插值权重系数序列；

步骤4.2，根据待变形短舱表面的计算网格节点及控制点构造插值基函数，从而计算待变形短舱表面的计算网格节点的位移变化量。

进一步地，步骤4.1中，采用Wendland’s C²函数构造插值基函数。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过搭建待变形短舱表面的控制框架并布设控制点，采用径向基函数插值技术，根据控制点的位移变化量快速准确地计算出变形后的层流短舱构型。本发明数据结构简单，鲁棒性强，效率较高，易于实现并行，能够实现短舱总体布局优化与曲面优化统一处理，以及参数化与变形网格的统一处理。

2、本发明可广泛应用于飞行器气动外形优化设计中，如机翼、增升装置、进气道等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明适用于非轴对称层流短舱设计的参数化方法的流程图。

图2a-2c为本发明的短舱用于数值模拟的计算网格的视图。

图3a-3c为本发明的短舱的控制框架和控制点的视图。

图4a-4b为沿流向提拉某一剖面上的1个控制点得到的变形前后构型视图。

图5a-5b是沿流向提拉某一剖面上的3个控制点得到的变形前后构型视图；

图6a-6c是参照波音737短舱的参数化变形前后对比视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种适用于非轴对称层流短舱设计的参数化方法，主要通过搭建待变形短舱表面的控制框架并布设控制点，采用径向基函数插值技术，根据控制点的位移变化快速准确地计算出变形后的层流短舱构型。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供的一种适用于非轴对称层流短舱设计的参数化方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)如图2a-2c所示，对待变形短舱划分用于数值模拟的计算网格；具体地，以一非轴对称层流短舱为待变形短舱，可以采用结构网格或非结构网格进行用于数值模拟的计算网格的划分，并从数值模拟的计算网格中提取短舱表面的计算网格节点。

(2)如图3a-3c所示，在待变形短舱表面搭建控制框架并布设控制点；所述控制框架的搭建只能采用结构网格，并以网格文件形式导出控制框架的控制点的坐标信息。

(3)根据需求给定控制点的位移变化量；需要将控制点的位移变化量分解成笛卡尔坐标系下沿三个坐标轴方向的变化量。

(4)利用径向基函数插值方法(Radial Basis Functions)，根据待变形短舱表面的控制点、控制点的位移变化量和计算网格节点，计算待变形短舱表面的计算网格节点的位移变化量；具体包括：

(4.1)将控制点作为插值基点r_i，并根据控制点构造插值基函数并将控制点的位移变化量作为插值函数F(r)；即，

以此计算插值权重系数序列ω_i；即，控制点的位移变化量在笛卡尔坐标系下沿三个坐标轴方向的变化量分别为：Δx_i，Δy_i，Δz_i，则

以此计算插值权重系数序列

其中，本实施例采用Wendland’s C²函数构造插值基函数具体形式为：

其中，d为径向基函数的作用半径。当η>1时，强制设定径向基插值基函数的种类较多，可以使用其他类型的函数作为基函数。

(4.2)根据待变形短舱表面的计算网格节点及控制点构造插值基函数，从而计算待变形短舱表面的计算网格节点的位移变化量Δx_j，Δy_j，Δz_j。

(5)，将待变形短舱表面的计算网格节点的坐标与待变形短舱表面的计算网格节点的位移变化量叠加，得到变形后的短舱。具体地，

如图4a-4b，利用本发明的适用于非轴对称层流短舱设计的参数化方法，沿流向提拉某一剖面上的1个控制点得到的变形前后构型视图。

如图5a-5b，利用本发明的适用于非轴对称层流短舱设计的参数化方法，沿流向提拉某一剖面上的3个控制点得到的变形前后构型视图；

如图6a-6c，利用本发明的适用于非轴对称层流短舱设计的参数化方法，参照波音737短舱的参数化变形前后对比视图。

本发明的适用于非轴对称层流短舱设计的参数化方法，不仅能够实现非轴对称层流短舱表面的光滑参数化变形，同时能够实现短舱总体布局优化与曲面优化统一处理、参数化与变形网格的统一处理，数据结构简单，鲁棒性强，效率较高，易于实现并行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于非轴对称层流短舱设计的参数化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对待变形短舱划分用于数值模拟的计算网格；

步骤2，在待变形短舱表面搭建控制框架并布设控制点；

步骤3，根据需求给定控制点的位移变化量；

步骤4，利用径向基函数插值方法，根据待变形短舱表面的控制点、控制点的位移变化量和计算网格节点，计算待变形短舱表面的计算网格节点的位移变化量；

步骤5，将待变形短舱表面的计算网格节点的坐标与待变形短舱表面的计算网格节点的位移变化量叠加，得到变形后的短舱。

2.如权利要求1所述的适用于非轴对称层流短舱设计的参数化方法，其特征在于，步骤1中，所述用于数值模拟的计算网格采用结构网格或非结构网格。

3.如权利要求1所述的适用于非轴对称层流短舱设计的参数化方法，其特征在于，步骤2中，所述控制框架的搭建采用结构网格。

4.如权利要求1所述的适用于非轴对称层流短舱设计的参数化方法，其特征在于，步骤4中，利用径向基函数插值方法，根据控制点的位移变化量计算待变形短舱表面的计算网格节点的位移变化量的方法，具体包括：

步骤4.1，将控制点作为插值基点，并根据控制点构造插值基函数，并将控制点的位移变化量作为插值函数，从而计算插值权重系数序列；

步骤4.2，根据待变形短舱表面的计算网格节点及控制点构造插值基函数，从而计算待变形短舱表面的计算网格节点的位移变化量。

5.如权利要求4所述的适用于非轴对称层流短舱设计的参数化方法，其特征在于，步骤4.1中，采用Wendland’s C²函数构造插值基函数。