CN113496097A - 一种基于sph的飞机油箱燃油晃动仿真分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SPH的飞机油箱燃油晃动仿真分析方法，旨在解决现有仿真分析方法无法准确仿真飞机在大过载和反飞工况下的飞机油箱燃油晃动的问题。为此目的，本发明中的方法包括：基于SPH飞机油箱燃油动态仿真；对飞机油箱燃油信息进行动态测量解算；根据动态测量解算结果进行误差分析。本发明计算效率高，可仿真特殊飞行姿态下的飞机油箱燃油晃动，并能够精确的动态结算飞机油箱燃油重心。
Description
技术领域
本发明属于飞机燃油系统领域，具体涉及一种基于SPH的飞机油箱燃油晃动仿真分析方法。
背景技术
燃油系统是飞机整套系统中必不可少的组成部分，其主要任务是贮存飞机所用燃油并为发动机持续输送燃料，以确保发动机在任何飞行状态下都能正常运转，因此燃油系统必须具有可靠性、可控性和连续性供油的能力。
目前，国内外通常使用燃油质量特性数据库进行燃油质量和重心的计算，而燃油质量特性数据库只能描述飞机油箱内燃油在一定液面高度与油面角下的油量。在飞机飞行过程中，飞机的飞行姿态和过载不断发生改变，导致燃油箱内的燃油发生晃动，油面角、燃油体积、燃油质量、燃油重心、油面高度等一系列燃油质量特性数据都不断变化，进而使发动机耗油、燃油箱转输油、全机重心等方面的计算产生误差，影响飞机的安全航行。需要一种高效可靠的方法对燃油的晃动进行仿真和分析，从而为设计人员对燃油质量特性进行测量解算的方面提供重要参考。
发明内容
本发明提供的一种基于SPH的飞机油箱燃油晃动仿真分析方法，能够精确仿真飞机在大过载工况下，燃油箱中燃油剧烈的晃动造成飞机重心偏移的场景，为飞机油量测量和重心计算提供数据。根据仿真出来的飞机油箱传感器，实时计算出传感器浸油高度，为测量燃油油量提供数据支持，同时通过仿真燃油的重心变化，揭示燃油箱液面和重心的变化规律。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：
一种基于SPH的飞机油箱燃油晃动仿真分析方法，包括以下步骤：
步骤1)基于SPH对飞机油箱燃油进行动态仿真；
步骤2)对飞机油箱燃油信息进行动态测量解算；
步骤3)根据动态测量解算结果进行误差分析。
本发明进一步的改进在于，所述步骤1)基于SPH对飞机油箱燃油晃动进行动态仿真的方法包括：
步骤1.1)，根据飞机油箱模型构建仿真平台的飞机油箱模型，将CATIA中的模型通过变换矩阵转换为仿真平台中的油箱模型；
步骤1.2)，初始化燃油粒子：获取燃油粒子的质量、速度和位置信息；
步骤1.3)，对飞机燃油施加动态载荷和飞行姿态信息；
步骤1.4)，构建飞机燃油粒子晃动仿真计算模型；
步骤1.5)，通过燃油粒子运动状态迭代分析，实时更新燃油粒子信息。
本发明进一步的改进在于，步骤1.2)中，设置燃油粒子的质量1.0、速度1.0、半径0.02，燃油粒子静止距离0.01，表面张力设置为0.1。
本发明进一步的改进在于，所述步骤1.4)包括：
1.4.1)计算渲染使用CUDA并行计算引擎与OpenGL渲染引擎；
1.4.2)约束方法使用粒子的密度约束和表面张力约束；
1.4.3)边界条件采取虚粒子法、压强修正法、速度修正法。
本发明进一步的改进在于，所述步骤2)对飞机油箱燃油信息进行动态测量解算的方法包括：
步骤2.1)，获取飞机电容式燃油测量传感器位置，将传感器的实际空间坐标通过空间矩阵变换为仿真空间中的坐标，在飞机仿真空间中添加传感器；
步骤2.2)，获取液位传感器最高燃油粒子的空间坐标和最低燃油粒子的空间坐标，最高处和最低处周围粒子密度大于给定阈值，以此排除燃油粒子飞溅的影响；
步骤2.3)，通过转换矩阵将步骤2.2)中的两个空间坐标转换为实际空间的坐标，求出两点间的空间距离，即对应传感器感的浸油高度；
步骤2.4)，通过俯仰角、横滚角和对应传感器的浸油高度在燃油质量数据库中插值解算出相应的油量；
步骤2.5)，对每一个油箱中所有传感器测量的油量结果求均值，确定最终测试油量；
步骤2.6)，计算所有粒子的形心，作为飞机燃油重心进行输出。
本发明进一步的改进在于，所述步骤3)根据动态测量解算结果进行误差分析的方法包括：
步骤3.1)，对仿真得到的传感器高度分别进行±W误差计算，执行上述步骤2.4)和步骤 2.5)，以此高度确定相应的测量油量，从而实时得到燃油油量的上界和下界；
步骤3.2)，对上述得测得的油量进行滤波平滑操作。
本发明至少具有以下有益的技术效果：
(1)采用CUDA的并行计算，运行效率更高，采用openGL引擎渲染，效果更逼真；
(2)基于SPH的飞机燃油仿真，能够精确仿真飞机在大过载工况下，精确仿真出飞机油箱燃油动态变化的过程；
(3)根据仿真出来的传感器，实时计算出传感器的浸油高度，以此来求得油箱油量，同时能够仿真出燃油重心变化；
(4)不同于商业软件，基于此方法的软件可以做到自主可控。
附图说明
图1：飞机左翼油箱在仿真空间中的三角网格渲染模型图；
图2：(a)是飞机左翼油箱粒子态模型，(b)是燃油液态模型图；
图3：飞机飞行剖面图；
图4：仿真空间中的传感器渲染图；
图5：传感器的感应浸油高度示意图，传感器有的是斜置的；
图6：三个方向上重心变化表数据；其中图6(a)是x坐标上的重心变化图，图6(b)是y坐标上的重心变化图，图6(c)是z坐标上的重心变化图；
图7：平滑过的测试数据评估对比表数据，其中图7(a)是实测油量误差图，图7(b)是实测油量和理论油量对照图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
本发明基于SPH对飞机油箱燃油晃动进行动态仿真，具体实施方式主要分为三个部分：
一、基于SPH对飞机油箱燃油晃动进行动态仿真：
1)首先根据飞机油箱模型构建仿真平台的飞机油箱模型，
CATIA中的模型通过变换矩阵转换为仿真平台中的油箱模型。先将CATIA中模型的坐标(px,py,pz)通过
矩阵运算，得到点：
其中：lx是CATIA模型中所有点的x坐标最小值，ly是CATIA模型中所有点的y坐标最小值、lz是CATIA模型中所有点的z坐标最小值，同理，得到空间中最小坐标点v0(lx,ly,lz) 与空间中最大坐标点v1(ux,uy,uz))。
通过归一化矩阵
将导入的油箱模型进行缩放(s是缩放倍数)。最终得到仿真空间中的粒子坐标：
依据这些坐标点在空间中渲染出飞机油箱的三角网格，如图1。
2)初始化燃油粒子：设置燃油粒子的质量1.0、速度1.0、半径0.02，燃油粒子静止距离 0.01(燃油粒子可被挤压变形)，表面张力设置为0.1，并导入粒子在仿真空间中的位置，并设置其他燃油粒子参数属性。在本实施例中，a是飞机左翼油箱粒子模型，b是左翼燃油液态渲染模型(见图2)；
3)对飞机燃油施加动态载荷和飞行姿态信息：设置x、y、z三个方向上的载荷ax,ay,az，并且设置飞机飞行过程中的俯仰角α和横滚角β，本实施例中，我们给出了飞行过程的剖面图(见图3)；
4)构建飞机燃油粒子晃动仿真计算模型：对燃油粒子进行受力分析，分析燃油粒子密度、压强差、和速度差引起的受力，得到总的受力情况，并引入边界条件对燃油粒子进行边界修正。通过受力分析运动状态，实时渲染飞机燃油的变化过程，如图3，是飞机飞行剖面图。
二、对飞机油箱燃油信息进行动态测量解算：
1)根据飞机电容式燃油测量传感器位置，将传感器的实际空间坐标通过空间矩阵变换为仿真空间中的坐标，在飞机仿真空间中添加传感器，如图4；
2)获取液位传感器最高燃油粒子的空间坐标和最低燃油粒子的空间坐标，最高处和最低处周围粒子密度大于给定阈值，以此排除燃油粒子飞溅的影响，如图5，并将相应的坐标转化为CATIA模型中的模型的坐标，转化过程与步骤一中1)的过程相逆：
此时，求出这两点的空间距离，即对应传感器的浸油高度；
3)通过俯仰角、横滚角和对应传感器的浸油高度在燃油质量数据库中插值解算出油箱i 的第j根传感器测得的油量vij；对每一个油箱中所有传感器测量的油量结果求均值：
确定最终总的油量是：
4)计算所有粒子的形心(飞机燃油粒子作为质点的特性)，作为飞机燃油重心进行输出：
如图7所示，三张图表分别显式三个坐标轴方向上的坐标变化。
三、根据动态测量解算结果进行误差分析。
对仿真得到的传感器高度分别进行±L误差计算，L设置为5，如果超过满油时传感器高度，按满油计；小于0值时，计为0。以此高度确定相应的测量油量，从而实时得到燃油油量的上界和下界；此外，对上述得测得的油量进行滤波平滑操作，每十个数据进行一次平滑，结果如图7所示。
以上所揭露的仅为本发明一种基于SPH的飞机油箱燃油晃动仿真分析方法的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖范围。
Claims (6)
1.一种基于SPH的飞机油箱燃油晃动仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)基于SPH对飞机油箱燃油进行动态仿真；
步骤2)对飞机油箱燃油信息进行动态测量解算；
步骤3)根据动态测量解算结果进行误差分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于SPH的飞机油箱燃油晃动仿真分析方法，其特征在于，所述步骤1)基于SPH对飞机油箱燃油晃动进行动态仿真的方法包括：
步骤1.1)，根据飞机油箱模型构建仿真平台的飞机油箱模型，将CATIA中的模型通过变换矩阵转换为仿真平台中的油箱模型；
步骤1.2)，初始化燃油粒子：获取燃油粒子的质量、速度和位置信息；
步骤1.3)，对飞机燃油施加动态载荷和飞行姿态信息；
步骤1.4)，构建飞机燃油粒子晃动仿真计算模型；
步骤1.5)，通过燃油粒子运动状态迭代分析，实时更新燃油粒子信息。
3.根据权利要求2所述的一种基于SPH的飞机油箱燃油晃动仿真分析方法，其特征在于，步骤1.2)中，设置燃油粒子的质量1.0、速度1.0、半径0.02，燃油粒子静止距离0.01，表面张力设置为0.1。
4.根据权利要求2所述的一种基于SPH的飞机油箱燃油晃动仿真分析方法，其特征在于，所述步骤1.4)包括：
1.4.1)计算渲染使用CUDA并行计算引擎与OpenGL渲染引擎；
1.4.2)约束方法使用粒子的密度约束和表面张力约束；
1.4.3)边界条件采取虚粒子法、压强修正法、速度修正法。
5.根据权利要求4所述的一种基于SPH的飞机油箱燃油晃动仿真分析方法，其特征在于，所述步骤2)对飞机油箱燃油信息进行动态测量解算的方法包括：
步骤2.1)，获取飞机电容式燃油测量传感器位置，将传感器的实际空间坐标通过空间矩阵变换为仿真空间中的坐标，在飞机仿真空间中添加传感器；
步骤2.2)，获取液位传感器最高燃油粒子的空间坐标和最低燃油粒子的空间坐标，最高处和最低处周围粒子密度大于给定阈值，以此排除燃油粒子飞溅的影响；
步骤2.3)，通过转换矩阵将步骤2.2)中的两个空间坐标转换为实际空间的坐标，求出两点间的空间距离，即对应传感器感的浸油高度；
步骤2.4)，通过俯仰角、横滚角和对应传感器的浸油高度在燃油质量数据库中插值解算出相应的油量；
步骤2.5)，对每一个油箱中所有传感器测量的油量结果求均值，确定最终测试油量；
步骤2.6)，计算所有粒子的形心，作为飞机燃油重心进行输出。
6.根据权利要求5所述的一种基于SPH的飞机油箱燃油晃动仿真分析方法，其特征在于，所述步骤3)根据动态测量解算结果进行误差分析的方法包括：
步骤3.1)，对仿真得到的传感器高度分别进行±W误差计算，执行上述步骤2.4)和步骤2.5)，以此高度确定相应的测量油量，从而实时得到燃油油量的上界和下界；
步骤3.2)，对上述得测得的油量进行滤波平滑操作。
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