CN112298550A

CN112298550A - 倾转旋翼加载仿生波状前缘的方法和系统

Info

Publication number: CN112298550A
Application number: CN202011199740.4A
Authority: CN
Inventors: 李志平; 潘天宇; 贺龙; 龚新宇
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2040-10-30
Also published as: CN112298550B

Abstract

本公开提供了一种倾转旋翼加载仿生波状前缘的方法和系统，该方法包括：获取原始倾转旋翼的翼型数据；根据翼型数据确定待加载仿生波状前缘的加载范围、波长和振幅；根据加载范围和波长确定目标叶素，目标叶素为加载范围内的多个叶素，且相邻两个叶素的距离均等于波长的四分之一；根据目标叶素和振幅生成待加载仿生波状前缘的目标截面，目标截面包括波峰截面、波谷截面和中间截面；根据目标截面生成加载有仿生波状前缘的倾转旋翼。本申请可以实现倾转旋翼的仿生波状前缘的加载，可以快速地将原始倾转旋翼的转化为加载有仿生波状前缘的倾转旋翼。

Description

倾转旋翼加载仿生波状前缘的方法和系统

技术领域

本公开涉及倾转旋翼领域，尤其涉及一种倾转旋翼加载仿生波状前缘的方法和系统。

背景技术

倾转旋翼机是一种集固定翼飞机与直升机两种飞行器优点于一身的飞行器，其两种典型的工作模式为：悬停/垂直起降模式与巡航模式。在悬停/垂直起降模式下，倾转旋翼桨盘平行于地面，提供拉力用来克服机身的重力，借以实现垂直起降与悬停；在巡航模式下，桨盘垂直于地面，主要提供拉力用以克服机身气动阻力，实现高速巡航。因此倾转旋翼机既摆脱了固定翼飞机对跑道的依赖，同时也解决了直升机不能高速巡航的问题。

为了满足倾转旋翼机悬停/垂直起降模式所需极大拉力的同时，又能实现巡航模式下高效率的需求，倾转旋翼的设计依然面临着重大的挑战。设计的主要矛盾在于：悬停/垂直起降模式下，桨叶需要大的桨盘面积、低的桨叶扭转和高的桨尖速度；而在巡航模式下则要小的桨盘面积、高的桨叶扭转和低的桨尖速度。事实上，为了保证倾转旋翼在巡航模式下的效率，悬停/垂直起降模式下往往会出现流动分离严重、拉力不足等严峻的问题。

目前，传统的设计方法通常是引入一个同时评估在悬停/垂直起降模式和巡航模式下倾转旋翼性能的综合评定指标，并通过CFD与优化算法结合的方法使得综合评定指标达到最优值，即损失巡航状态的部分效率，来满足其在悬停/垂直起降模式下的拉力需求。然而，这种倾转旋翼并不能真正够解决气动性能瓶颈，所采用的设计思想依然是在两种飞行模式之间寻找一种平衡，而在两种飞行模式之下依然不能实现最佳的性能。并且，通过CFD寻优方法进行倾转旋翼的设计往往需要耗费大量计算资源，增加设计成本。

针对上述问题，申请人提出在倾转旋翼上加载仿生前缘的设计思想，但是，传统的仿生前缘的加载方法不适用于倾转旋翼，故需要设计一种适用于倾转旋翼的仿生前缘的加载方法。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种适用于倾转旋翼的仿生前缘的加载方法和系统，实现在倾转旋翼上加载仿生前缘。

本公开的第一方面，倾转旋翼加载仿生波状前缘的方法，包括：

获取原始倾转旋翼的翼型数据；

根据所述翼型数据确定待加载仿生波状前缘的加载范围、波长和振幅；

根据所述加载范围和所述波长确定目标叶素，所述目标叶素为所述加载范围内的多个叶素，且相邻两个叶素的距离均等于所述波长的四分之一；

根据所述目标叶素和所述振幅生成待加载仿生波状前缘的目标截面，所述目标截面包括波峰截面、波谷截面和中间截面；

根据所述目标截面生成加载有仿生波状前缘的倾转旋翼。

可选的，根据所述翼型数据确定待加载仿生波状前缘的加载范围、波长和振幅包括：

确定倾转旋翼的展向E％～N％桨叶高度范围为作为所述加载范围，60≤E＜N≤85；

确定所述加载范围内叶素的叶素弦长平均值的二分一作为所述波长；

确定当地叶素弦长的m％～M％作为所述振幅,5≤m≤M≤15。

可选的，所述M＝m＝10。

可选的，所述N＝85，E＝60。

可选的，所述N＝75，E＝70。

可选的，所述根据所述目标叶素和所述振幅生成待加载仿生波状前缘的目标截面，包括：

插值化处理所述目标叶素以获得所述目标叶素的控制点；

获取第一控制点，所述第一控制点为目标叶素在x轴方向上最大厚度点以后的所有所述控制点，所述x轴表示弦长方向；

根据如下公式移动第一控制点以获得所述目标截面的控制点；

其中，(X,Y)表示所述目标截面的控制点的坐标，(x,y)表示所述第一控制点的坐标，i表示各所述目标截面顺次进行的编号，A表示所述振幅；

用三次贝塞尔曲线光顺连接所述第一控制点以生成目标截面。

可选的，所述根据所述目标截面生成加载有仿生波状前缘的倾转旋翼，包括：

将所述目标截面连接为光滑的曲面以生成仿生波状前缘翼面，根据仿生波状前缘翼面生成加载有仿生波状前缘的倾转旋翼。

本公开的第二方面，倾转旋翼加载仿生波状前缘的系统，包括：

获取模块，用于获取原始倾转旋翼的翼型数据；

第一确定模块，用于根据所述翼型数据确定待加载仿生波状前缘的加载范围、波长和振幅；

第二确定模块，用于根据所述加载范围和所述波长确定目标叶素，所述目标叶素为所述加载范围内的多个叶素，且相邻两个叶素的距离均等于所述波长的四分之一；

截面生成模块，用于根据所述目标叶素和所述振幅生成待加载仿生波状前缘的目标截面，所述目标截面包括波峰截面、波谷截面和中间截面；

前缘加载模块，用于根据所述目标截面生成加载有仿生波状前缘的倾转旋翼。

本公开的第三方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，所述指令被处理器执行时实现本公开第一方面所述的任一项方法的步骤。

有益效果：本申请的技术方案根据翼型数据确定待加载仿生波状前缘的加载范围、波长和振幅；根据加载范围和波长确定目标叶素，根据目标叶素和振幅生成仿生波状前缘的目标截面，并根据目标截面生成加载有仿生波状前缘的倾转旋翼，实现倾转旋翼的仿生波状前缘的加载；本方法可以计算机设备执行，在计算机设备执行本申请的方法后，可以快速地将原始倾转旋翼的转化为加载有仿生波状前缘的倾转旋翼，提高加载效率，便于后续的试验与制造，并使得加载仿生波状前缘的倾转旋翼可以即保证倾转旋翼在巡航模式下的效率，又能实现倾转旋翼在悬停/垂直起降模式下拉力的提升。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本公开的一个实施例中的倾转旋翼加载仿生波状前缘的方法的流程图；

图2是本公开的一个实施例中的原始倾转旋翼的结构图；

图3是本公开的一个实施例中的仿生波状前缘的截面示意图；

图4是本公开的一个实施例中的仿生波状前缘的波长和振幅的示意图；

图5是本公开的一个实施例中的仿生波状前缘翼面的结构示意图；

图6为加载仿生波状前缘后的倾转旋翼的示意图；

图7是本公开的一个实施例中的倾转旋翼加载仿生波状前缘的系统的框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

实施例1：

参见图1，倾转旋翼加载仿生波状前缘的方法，包括：

步骤101，获取原始倾转旋翼的翼型数据；

步骤102，根据翼型数据确定待加载仿生波状前缘的加载范围、波长和振幅；

步骤103，根据加载范围和波长确定目标叶素，目标叶素为加载范围内的多个叶素，且相邻两个叶素的距离均等于波长的四分之一；

步骤104，根据目标叶素和振幅生成待加载仿生波状前缘的目标截面，目标截面包括波峰截面、波谷截面和中间截面；

步骤105，根据目标截面生成加载有仿生波状前缘的倾转旋翼。

本申请的技术方案根据翼型数据确定待加载仿生波状前缘的加载范围、波长和振幅；根据加载范围和波长确定目标叶素，根据目标叶素和振幅生成仿生波状前缘的目标截面，并根据目标截面生成加载有仿生波状前缘的倾转旋翼，实现倾转旋翼的仿生波状前缘的加载；本方法可以计算机设备执行，在计算机设备执行本申请的方法后，可以快速地将原始倾转旋翼的转化为加载有仿生波状前缘的倾转旋翼，提高加载效率，便于后续的试验与制造。

其中，叶素是沿桨叶展向所截取的桨叶微段。

步骤101中的翼型数据可以从Profile软件中导出；翼型数据导入软件QPROP中可以得到扭角、弦长分布，以及桨叶高度等。

步骤105生成加载有仿生波状前缘的倾转旋翼后，可以进行试验，或将相关数据导入软件slidworks以进行几何模型的构建。

参见图2，图2为原始倾转旋翼的结构图；L为加载范围；加载范围内的纵向线条表示的是目标叶素，H是桨叶高度；

可以公式

计算相关参数；

公式中L为加载范围；n为波数，w为波长；根据该公式，在确定波长W和加载范围L，可以计算n；即也可以通过调整n调整波长。

本申请的方法的步骤，可以利用MATLAB编写相关程序后执行。

在一个可选实施方式中，根据翼型数据确定待加载仿生波状前缘的加载范围、波长和振幅包括：

确定倾转旋翼的展向E％～N％桨叶高度范围为作为加载范围，60≤E＜N≤85；

确定加载范围内叶素的叶素弦长平均值的二分一作为波长；

确定当地叶素弦长的m％～M％作为振幅,5≤m≤M≤15。

可以知道的，翼型数据中包含桨叶高度和各叶素弦长的信息，或包含可以计算得到桨叶高度和各叶素弦长的信息；当地叶素弦长指的波所在位置相对应的叶素弦长；

采用本方法加载的仿生波状前缘，可以使不影响倾转旋翼在巡航模式下的效率的前提下，实现倾转旋翼在悬停/垂直起降模式下拉力的提升。

可选的，N＝85，E＝60；即确定倾转旋翼的展向60％～85％桨叶高度范围为作为加载范围；参见图3，图3中H即桨叶高度；图中向右的方向即展向。

可选的，N＝75，E＝70；即确定倾转旋翼的展向70％～80％桨叶高度范围为作为加载范围；N也可以设置80等。

可选的，M＝m＝10；确定当地叶素弦长的10％作为振幅。

在一个可选实施方式中，振幅A、波长W和加载范围L以下规则规律：

振幅A：

振幅对仿生前缘气动特性的影响显著，并且在不同攻角范围对气动特性的影响表现出相反的趋势，当攻角α≤15°时，随着振幅的增加，流动恶化愈加严重，并且在达到0.15c(c表示当地叶素弦长)以上时失速现象消失；而当α≥15°时，失速特性随着振幅的增加而愈发良好，当振幅达到0.25c时，仿生前缘表面流向涡结构得到充分良好的发展，使得所有波谷截面压力系数曲线在前缘处产生鼓包状突起而使升力系数提升25％。为此振幅较大的仿生前缘适用于对非设计工况要求较高的场合，而振幅较小的仿生前缘对于保证设计工况的性能更加有益，由此振幅选取为：0.05c-0.15c。

波长W：

波长对于仿生前缘气动特性的影响集中在攻角α≤15°的工况，随着波长增加，失速点升力系数增大。攻角α≥15°时，波长不再影响升力系数的变化。在旋转机械的仿生设计中，建议选较大波长，本发明综合寻优后建议波长为加载仿生前缘范围内叶素弦长(c)平均值的二分一，通过波数量对波长进行调整。

加载范围L：

倾转旋翼在垂直/悬停工况时，随着桨距增大，桨尖叶素将首先处于深度失速状态，流动分离最初在桨尖诱发并逐渐向桨叶中部扩张，为了减少仿生前缘对桨叶根部及桨叶中部流动结构的破坏，建议不在60％桨叶高度以下部分加载仿生前缘。而85％桨叶高度以上部分由于叶素弦长急剧缩短，加载仿生前缘意义不大。综合以上考虑，对倾转旋翼60％～85％桨叶高度范围内进行仿生前缘的加载。

在一个可选实施方式中，根据目标叶素和振幅生成待加载仿生波状前缘的目标截面，包括：

插值化处理所述目标叶素以获得所述目标叶素的控制点；

其中，(X,Y)表示所述目标截面的控制点的坐标，(x,y)表示所述第一控制点的坐标，i表示各所述目标截面顺次进行的编号，A表示所述振幅；i表示各所述目标截面顺次进行的编号，例如，按展向方向，第一个目标截面的编号为1，第二个目标截面的编号为2，第三个目标截面的编号为3，依次类推。

参见图3，仿生波状前缘的生成主要由三种截面控制，三种截面分别为波峰截面301、中间截面302和波谷截面303，x轴表示弦长方向，z轴表示展向(图中未示出)，y轴表示垂直于xOz平面的方向；其中，前缘点，最大厚度点分别取为目标叶素的X坐标最大点，目标叶素的Y坐标最大点；空心圆圈是中间截面302的控制点，实心圆圈是波谷截面303的控制点；坐标系横轴指向前缘点，坐标系纵轴指向最大厚度点304。

其中，插值化处理目标叶素是：用多个控制点(大于4个)描述整条翼型曲线(即目标叶素)，得到中间截面(基准截面)的控制点。再根据中间截面生成波峰波谷截面；

波峰、波谷截面生成方式是：波峰叶素303是在中间截面302的基础上，提取X>0位置的控制点，控制点坐标加一个振幅；波谷叶素301是在中间截面302的基础上，提取X>0位置的控制点，控制点坐标减一个振幅。在移动完控制点后，再用三次贝塞尔曲线光顺连接，即可得到波峰波谷截面。

其中，上述贝塞尔曲线，又称贝兹曲线或贝济埃曲线，简称Bezier，是应用于二维图形应用程序的数学曲线。

三种截面在仿生前缘当中的相对位置如图4所示，图4还标识了控制仿生波状前缘生成的主要几何参数：波长W和振幅A。三种截面按照图4中的相对位置在z轴顺次排列之后，连接为光滑的曲面仿生波状前缘翼面。

在一个可选实施方式中，根据目标截面生成加载有仿生波状前缘的倾转旋翼，包括：

将目标截面连接为光滑的曲面以生成仿生波状前缘翼面，根据仿生波状前缘翼面生成加载有仿生波状前缘的倾转旋翼。

可以知道的，由于本申请中是在原始倾转旋翼加载仿生波状前缘，所以除仿生波状前缘翼面外，其他结构基本不变，采用的是原始倾转旋翼的结构，即只需原始倾转旋翼的翼面数据即可生成。

参见图5，图5为生成的仿生波状前缘翼面的结构示意图，图中501为仿生波状前缘翼面。

参见图6，图6为加载仿生波状前缘后的倾转旋翼的示意图，其中601为仿生波状前缘。

实施例2：

参见图7，倾转旋翼加载仿生波状前缘的系统,包括：

获取模块701，用于获取原始倾转旋翼的翼型数据；

第一确定模块702，用于根据翼型数据确定待加载仿生波状前缘的加载范围、波长和振幅；

第二确定模块703，用于根据加载范围和波长确定目标叶素，目标叶素为加载范围内的多个叶素，且相邻两个叶素的距离均等于波长的四分之一；

截面生成模块704，用于根据目标叶素和振幅生成待加载仿生波状前缘的目标截面，目标截面包括波峰截面、波谷截面和中间截面；

前缘加载模块705，用于根据目标截面生成加载有仿生波状前缘的倾转旋翼。

本实施例中的倾转旋翼加载仿生波状前缘的系统与实施例1中的倾转旋翼加载仿生波状前缘的方法的原理、效果和可选实施方式一致，此处不再重复描述。

实施例3：

一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有指令，指令被处理器执行时实现实施例1的任一项方法的步骤。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims

1.倾转旋翼加载仿生波状前缘的方法，其特征在于，包括：

获取原始倾转旋翼的翼型数据；

根据所述目标截面生成加载有仿生波状前缘的倾转旋翼。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述翼型数据确定待加载仿生波状前缘的加载范围、波长和振幅包括：

确定当地叶素弦长的m％～M％作为所述振幅,5≤m≤M≤15。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述M＝m＝10。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述N＝85，E＝60。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述N＝75，E＝70。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标叶素和所述振幅生成待加载仿生波状前缘的目标截面，包括：

插值化处理所述目标叶素以获得所述目标叶素的控制点；

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标截面生成加载有仿生波状前缘的倾转旋翼，包括：

将所述波峰截面、所述波谷截面和所述中间截面连接为光滑的曲面以生成仿生波状前缘翼面，根据仿生波状前缘翼面生成加载有仿生波状前缘的倾转旋翼。

8.倾转旋翼加载仿生波状前缘的系统，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取原始倾转旋翼的翼型数据；

9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，其特征在于，所述指令被处理器执行时实现权利要求1-7所述的任一项方法的步骤。