CN111597741B - 一种基于改进Hicks-henne算法的仿生蟹滑翔姿态下翼型优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于改进Hicks‑henne算法的仿生蟹滑翔姿态下翼型优化设计方法，它属于水下滑翔机翼型优化技术领域。本发明解决了利用传统Hicks‑henne算法对基础翼型进行修正后得到的翼型的性能差的问题。本发明具体包括以下步骤：步骤一、采用caeses软件建立基础的翼型为NACA0012的仿生蟹滑翔姿态外形；步骤二、采用改进Hicks‑henne算法对步骤一建立的基础翼型模型进行修正，获得修正后的翼型模型；步骤三、利用FINEMarine软件对修正后的翼型模型进行网格绘制，计算出修正后的翼型模型的性能数据，并对修正后的翼型模型的性能数据进行优化处理，得到优化后的翼型模型性能。本发明可以应用于水下滑翔机翼型的优化。
Description
技术领域
本发明属于水下滑翔机翼型优化技术领域，具体涉及一种基于改进Hicks-henne算法的仿生蟹滑翔姿态下翼型优化设计方法。
背景技术
仿生蟹是一种可以在水下实现变形功能的特殊水下机器人，具备浅滩的多足机械形态和水下滑翔机形态。其中滑翔姿态作为仿生蟹的一个重要姿态，其水动力性能是滑翔机形态的重要优化部分，因此针对滑翔姿态的翼型优化是重要工作。
滑翔姿态下的仿生蟹是一种扁平主体外形的水下滑翔机，水下滑翔机是一种常见的水下观测型机器人，其具备工作范围广，工作时间长，能耗低等特点被广泛使用。这些特点正是因为其拥有的高升阻比的翼型和平滑的主体舱室，因此对于滑翔机的优化，主要方向就是在于优化翼型的升阻比或是改善主体舱室的外形，在满足充足装配空间的要求下提高升阻比、优化翼型曲线。
在实际优化过程中有很多优化翼型的算法，传统Hicks-henne算法由于时代的问题，具备一定的缺点和改进限制。比如传统Hicks-henne算法的基函数在尾缘部分修正过小，导致利用传统Hicks-henne算法对基础翼型进行修正后得到的翼型的性能较差。
发明内容
本发明的目的是为解决利用传统Hicks-henne算法对基础翼型进行修正后得到的翼型的性能差的问题，而提出了一种基于改进Hicks-henne算法的仿生蟹滑翔姿态的翼型优化设计方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种基于改进Hicks-henne算法的仿生蟹滑翔姿态的翼型优化设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、采用caeses软件建立仿生蟹滑翔姿态外形的基础翼型模型；
步骤二、采用改进Hicks-henne算法对步骤一建立的基础翼型模型进行修正，获得修正后的翼型模型；
步骤三、利用FINEMarine软件对修正后的翼型模型进行网格绘制，计算出修正后的翼型模型的性能数据，并对修正后的翼型模型的性能数据进行优化处理，得到优化后的翼型模型性能数据。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于改进Hicks-henne算法的仿生蟹滑翔姿态的翼型优化设计方法，本发明针对传统Hicks-henne算法的缺点进行改进，形成改进Hicks-henne算法。通过建立滑翔姿态的基础翼型曲线，并针对基础翼型曲线进行参数化，分别采用传统Hicks-henne算法和改进Hicks-henne算法进行优化，得到新的翼型曲线。
通过对比不同翼型曲线的优化性能，可以看出，改进Hicks-henne算法的翼型可以获得较高一些的升力图像，同时还可以获得较少的阻力，通过改进Hicks-henne算法获得的翼型的性能较好。
附图说明
图1为传统型函数的函数图像；
图2为改进型函数的函数图像；
图3为滑翔姿态基础水动力外形图；
图4是利用传统Hicks-henne算法改进的翼型，基于改进Hicks-henne算法改进的翼型与基础翼型的对比图；
图5为基础翼型的最佳攻角下最佳升阻比性能图像；
图6为传统Hicks-henne算法改进的翼型的最佳攻角下最佳升阻比性能图像；
图7为改进Hicks-henne算法改进的翼型的最佳攻角下最佳升阻比性能图像；
图8为三种翼型的升阻比曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述的一种基于改进Hicks-henne算法的仿生蟹滑翔姿态下翼型优化设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、采用caeses软件建立仿生蟹滑翔姿态外形的基础翼型模型；
步骤二、采用改进Hicks-henne算法对步骤一建立的基础翼型模型进行修正，获得修正后的翼型模型；
步骤三、利用FINEMarine软件对修正后的翼型模型进行网格绘制，计算出修正后的翼型模型的性能数据，并对修正后的翼型模型的性能数据进行优化处理，得到优化后的翼型模型性能数据。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述改进Hicks-henne算法具体为：
式中，ynew(x)为改进Hicks-henne算法的翼型描述函数，x为翼型上的弦向位置，ybase(x)为基础翼型描述函数，dnew-k为改进Hicks-henne算法的第k个基函数的系数，k＝1,2，…，n，n为基函数的个数，fnew-k(x)为改进Hicks-henne算法的第k个基函数；
其中fnew-k(x)的表达式为：
e(k)＝ln(0.5)/lnxk,0≤xk≤1 (3)
式中，e为自然对数，xk为翼型上选取的节点位置，a和b均为常数。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述步骤三中，对修正后的翼型模型的性能数据进行优化处理，得到优化后的翼型模型性能数据，其具体过程为：
根据公式(4)的规则，对修正后翼型模型的性能数据进行优化处理，得到优化后的翼型模型性能数据；
式中，代表工况，CD代表阻力，αi为设计点的第i个攻角，n′为攻角的个数，CL代表升力，/>为设计点的升力系数下限，/>为设计点的阻力系数上限；CD(·)和CL(·)代表的是不同工况下和攻角下的升力和阻力。
将根据公式(4)选取出的参数作为优化后的翼型模型性能数据，利用优化后的翼型模型性能数据代表修正后的翼型模型的性能。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述步骤一中建立的基础翼型模型为NACA0012。
本实施方式设置的基础翼型模型为NACA0012，但是不局限于NACA0012，本领域其他的一些基础翼型模型均可以应用于本发明。
相关关键技术
传统Hicks-henne算法：HicksHenne参数化方法是由Hicks和Henne提出的用有限的参数描述一个翼型的参数化方法。该方法选定一个基础翼型，用参数化方法描述叠加到基础翼型上竖直方向的变化量，新生成的翼型是标准翼型与参数描述的变化量叠加的结果。
传统Hicks-henne算法的定义表达式如下：
式中，y(x)为传统算法得到的翼型描述函数，dk为传统Hicks-henne的基函数系数，fk(x)为传统Hicks-henne算法的基函数，
其中fk(x)的表达式为：
e(k)＝ln(0.5)/lnxk,0≤xk≤1 (7)
传统型函数的函数图像如图1所示，其中dk的取值选择1。通过观察可知，传统型函数在尾缘部分修正过小，通过观察传统型函数可知，传统型函数在尾缘部分的函数值都为0，这意味着如果使用传统型函数的改进方法，那么改进后的翼型和初始翼型在尾翼部分几乎没有改进和修正。作为影响翼型水动力性能的主要部分，对其进行增加尾缘控制函数是主要改进部分。
水动力模型的参数化建模和性能计算：为方便描述翼型的外形，采用参数化建模。利用善于参数化描述外形的caeses软件，选取NACA0012对称翼型做基础翼型，选取滑翔姿态下的仿生蟹主体舱室，绘制基础滑翔机外形。进而利用FINEMarine软件进行水动力外形的计算，得到最后结果。
改进Hicks-henne算法：通过改进传统型函数算法的缺点，对传统型函数进行改进，增加尾缘控制项，改变尾缘部分修正幅度较少的问题。改变前缘控制函数降低前缘幅度。增加延迟函数，使得翼型的最大厚度点后移。通过改进得到一个新的型函数。
基于传统Hicks-henne算法的缺点，改进策略就是增加尾翼后缘部分的修正量，进而修正改进翼型的尾缘部分，增加尾缘控制函数a(1-x)xb,k＝n。通过借鉴翼型修正的指导原则，还可以推想出可以将翼型的最大厚度点后移，这样可以将阻力减少，那么修正x2.25(1-x)(ex-1)e-20x。同时考虑如果前缘厚度较大的话，到滑翔机在水下会产生激波，增加阻力，因此增加控制项ex使得翼型前缘幅度下降。那么改进后的型函数图像如图2所示。
采用caeses进行基础翼型为NACA0012的仿生蟹滑翔姿态外形的建立，该软件可实现翼型参数化控制，变形过程简便。首先选取对称翼型NACA0012进行初始翼型建立，进而通过选取合理的参数值即可进行翼型的改变，进而形成由传统型函数改变的翼型和改进型函数改变的翼型，通过计算两种翼型的性能即可验证改进型函数的优越性。
本发明利用公式(4)所示的改进后优化算法，在多种工况中选择阻力最小，升阻比最大的工况，其中还必须满足在一定的升力和阻力范围内，符合滑翔机性能的实际需要。
传统Hicks-henne算法和改进Hicks-henne算法的性能对比
本发明基于实验室的仿生蟹项目，首先采用能够翼型参数化的软件caeses，通过选取建立基于NACA0012翼型的基础滑翔机外形，基于主体采用规定的扁平滑翔机外形得到图3的三维图像。
采用标准的NACA0012翼型的二维图像，并在NACA0012翼型的基础上进行两种不同Hicks-henne算法的改进优化，选取合理的变形数值。因为本发明目的在于验证同样情况下改进型函数的有效性，使其改进程度相近，因此为简便计算，其中参数值的选取如下：
选取dnew-k＝0.0007，dk＝0.0025，a＝8，b＝10。
那么得到的两种翼型的二维图形对比如图4所示。
从图4中可以看出，相比于传统型函数法得到的翼型。改进型函数得到的翼型可以降低翼型的前缘厚度，略微调整最大厚度点，同时还增加了后缘幅度，符合改进策略。在此基础上，进而将三种不同的三维翼型模型带入到FINEMarine水动力性能软件进行计算网格的绘制和水动力性能的计算，得到的性能结果。
计算水动力性能时，选用工况为0.25m/s，0.5m/s，1.0m/s和1.75m/s四种工况，同时兼顾优化算法给出的工况选择策略，得到三种翼型的升阻比性能。
如图5、图6和图7所示，图5为基础翼型的最佳攻角下的最佳升阻比性能图像，图6为传统Hicks-henne算法改进的翼型的最佳攻角下的最佳升阻比性能图像，图7为改进Hicks-henne算法改进的翼型的最佳攻角下的最佳升阻比性能图像。
通过图5、图6和图7的对比可以得到，相比于传统型函数，改进型函数得到的改进翼型可以获得较高一些的升力图像，同时还可以获得较少的阻力，符合改进策略。为增强对比性，进而可通过改变不同的滑翔机攻角获得多组水动力性能曲线，得到的统计数据如表1所示：
表1不同攻角下翼型的性能数据
基于表1中的数据，可以绘制出如图8所示的三种翼型的升阻比曲线图。
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (2)
1.一种基于改进Hicks-henne算法的仿生蟹滑翔姿态下翼型优化设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、采用caeses软件建立仿生蟹滑翔姿态外形的基础翼型模型；
步骤二、采用改进Hicks-henne算法对步骤一建立的基础翼型模型进行修正，获得修正后的翼型模型；
所述改进Hicks-henne算法具体为：
式中，ynew(x)为改进Hicks-henne算法的翼型描述函数，x为翼型上的弦向位置，ybase(x)为基础翼型描述函数，dnew-k为改进Hicks-henne算法的第k个基函数的系数，k＝1,2，…，n，n为基函数的个数，fnew-k(x)为改进Hicks-henne算法的第k个基函数；
其中fnew-k(x)的表达式为：
e(k)＝ln(0.5)/lnxk,0≤xk≤1 (3)
式中，e为自然对数，xk为翼型上选取的节点位置，a和b均为常数；
步骤三、利用FINEMarine软件对修正后的翼型模型进行网格绘制，计算出修正后的翼型模型的性能数据，并对修正后的翼型模型的性能数据进行优化处理，得到优化后的翼型模型性能数据；
所述对修正后的翼型模型的性能数据进行优化处理，得到优化后的翼型模型性能数据，其具体过程为：
根据公式(4)的规则，对修正后翼型模型的性能数据进行优化处理，得到优化后的翼型模型性能数据；
式中，代表工况，CD代表阻力，αi为设计点的第i个攻角，n′为攻角的个数，CL代表升力，为设计点的升力系数下限，/>为设计点的阻力系数上限；
将根据公式(4)选取出的参数作为优化后的翼型模型性能数据，利用优化后的翼型模型性能数据代表修正后的翼型模型的性能。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进Hicks-henne算法的仿生蟹滑翔姿态下翼型优化设计方法，其特征在于，所述步骤一中建立的基础翼型模型为NACA0012。
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