CN113609582B - 一种满足机构运动和缝道参数的增升装置位置设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种满足机构运动和缝道参数的增升装置位置设计方法，将增升装置气动设计的工程经验与机构约束条件相结合，采用了三种近似手段，将描述增升装置空间位置的参数和缝道参数的复杂关系解耦，提出了一种迭代逼近的方法求解。本发明可帮助飞机设计师利用已有的工程经验快速设计出机构导引下的增升装置起降构型，为后续优化提供基础构型。
Description
技术领域
本发明属于大型客机增升装置的设计领域，设计一种满足机构运动和缝道参数的增升装置位置设计，具体来说是一种可同时满足机构运动和缝道参数的大型客机三维增升装置起降位置设计方法。
背景技术
增升装置能够提高飞机在起降阶段的经济性和安全性，是大型客机设计的关键技术之一。不管是襟翼还是缝翼，气动设计过程中一般以缝道宽度(gap)、重叠量(overlap)和偏角作为参数，它们的定义分别如图1所示。由于增升装置的外形为复杂曲面，且设计流程存在重复迭代，如何快速求得同时满足缝道宽度、重叠量和偏角的位置是个难点。于此同时，目前先进的宽体客机代表B787和A350XWB，为了降低结构复杂度和重量，均采用了简单铰链式下垂襟翼，这对气动位置设计提出了较多的约束，即机构导引下襟翼达不到气动设计出的最优位置。
由于增升装置(襟翼、缝翼等)外形一般为复杂曲面，在获取增升装置外形后，需考虑如何根据给定的缝道参数计算其起降构型的空间位置，传统方法采用人工试凑法，其中还需要考虑机构约束，计算量大，效率低，不能满足快速设计的需要；同时还需考虑如何计算满足机构运动的气动位置，传统方法采用先气动后机构的串行设计流程，需要经历多轮迭代试凑。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种满足机构运动和缝道参数的增升装置位置设计方法，帮助飞机设计师利用已有的工程经验快速设计出机构导引下的增升装置起降构型，为后续优化提供基础构型。
本发明满足机构运动和缝道参数的增升装置位置设计方法中，采用沿展向靠近机身的内侧轴点、沿展向远离机身的外侧轴点和偏角来描述缝翼和铰链襟翼的旋转轴、缝翼和铰链襟翼的位置，具体方法为：
a、计算增升装置初始的缝翼旋转轴和襟翼旋转轴的坐标位置；
b、给定增升装置初始的缝道宽度和缝道重叠量的设计值；
c、采集内外侧轴点变化对缝道参数的变化，得到内外侧轴点坐标的第一次修改量；
d、计算修改后的新转轴轴点的坐标位置；
e、测量新转轴下内外侧轴点处的缝道宽度和缝道重叠量；进一步求得新转轴下内外侧轴点处的缝道宽度和缝道重叠量与给定的初始的缝道宽度和缝道重叠量差值的比例系数；
f、计算内外侧轴点坐标的第二次修改量；
g、采用均方差函数来计算误差；
h、重复步骤c至h，直到误差小于设计值或迭代达到最大值，得到内外侧轴点的最终确定位置。
本发明的优点在于：
1、本发明同时满足机构运动和缝道参数的大型客机三维增升装置起降位置设计方法，将增升装置气动设计的工程经验与机构约束条件相结合，提出了一种可以满足缝道参数和机构运动的增升装置设计方法。
2、本发明同时满足机构运动和缝道参数的大型客机三维增升装置起降位置设计方法，采用了三种近似手段，将描述增升装置空间位置的参数和缝道参数的复杂关系解耦，提出了一种迭代逼近的方法求解。
附图说明
图1为轴点x坐标变化影响示意图；
图2为轴点y坐标变化影响示意图；
图3为本发明大型客机增升装置起降位置设计方法整体流程图；
图4为缝道参数示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明满足机构运动和缝道参数的增升装置位置设计方法，具体如下：
首先，缝翼和铰链襟翼的运动轨迹均为定轴旋转，对于三维情况，可以采用沿展向靠近机身的内侧轴点(xin,yin)、沿展向远离机身的外侧轴点(xout,yout)和偏角θ来描述缝翼和铰链襟翼的旋转轴、缝翼和铰链襟翼的位置，上述内外侧轴点的z坐标为一常数。
本发明采用循环迭代逼近的方法计算增升装置的起降位置，迭代过程中的修改量，基于以下三个设计条件：
1、不管是前缘还是后缘增升装置，其展向尺寸远大于弦向尺寸，因此可视为增升装置的外侧轴点只影响外侧剖面缝道参数，增升装置的内侧轴点只影响内侧剖面缝道参数；
2、由于缝翼和铰链襟翼的旋转特性，如图1、2所示，因此可视为上述内侧轴点与外侧轴点x坐标的改变量Δx，只影响缝道宽度；上述内侧轴点与外侧轴点轴点y坐标的改变量Δy，只影响缝道重叠量；
3、线性近似：缝道宽度改变量正比于内侧轴点与外侧轴点的x坐标改变量Δx，缝道重叠量改变量正比于内侧轴点与外侧轴点的y坐标改变量Δy。
基于上述各个条件，如图3所示本发明设计方法具体实现步骤为：
a、计算增升装置初始的缝翼旋转轴和襟翼旋转轴的坐标位置。
根据工程经验，增升装置的缝翼旋转轴一般位于其尾缘正下方，而襟翼旋转轴一般位于其前缘点正下方，按照此工程经验，可以确定各增升装置的缝翼旋转轴和襟翼旋转轴的轴点的流向位置(xin,xout)。对于高度方向(yin,yout)，取当地(轴点处)0.25倍的干净构型(无外挂、舵面等装置的飞机气动外形)弦长，也可取下翼面下方位置；
b、根据工程经验，给定增升装置内外侧轴点处的初始的缝道宽度和缝道重叠量/>如图4所示。
c、计算采集轴点变化对缝道参数的变化。
首先，根据条件1，计算内侧缝道宽度差值Δgapin和缝道重叠量差值Δoverlapin：
其中，与/>分别为用户设定的内外侧轴点处的初始的缝道宽度和缝道重叠量。
其次，根据条件2以及工程经验，计算内侧轴点坐标的第一次修改量为：
Δxin＝0.2×Δgapin (3)
Δyin＝-3×Δoverlapin (4)
外侧轴点坐标的第一次修改量Δxout、Δyout通过步骤b给定的采用步骤c的方法计算得出。
d、计算修改后的新转轴内侧轴点的坐标位置(xin'＝xin+Δxin，yin'＝yin+Δyin)，修改后的新转轴外侧轴点的坐标位置(xout'＝xout+Δxout，yout'＝yout+Δyout)计算方法相同。
e、根据条件3，测量新转轴下内侧轴点处的缝道宽度和内侧缝道重叠量在此处，将步骤b中给定的初始的内侧缝道宽度/>和缝道重叠量/>分别命名为/>和/>用以下公式求得内侧缝道的宽度差值和重叠量差值的比例系数/>和/>
同理，测量新转轴下外侧轴点处的缝道宽度和内侧缝道重叠量/>将步骤b中给定的初始的外侧缝道宽度/>和缝道重叠量/>分别命名为/>和根据上式得到外侧缝道的宽度差值和重叠量差值的比例系数/>和/>外侧缝道的宽度差值和重叠量差值的比例系数计算方法相同
f、计算内侧轴点坐标的第二次修改量Δxin和Δyin，线性逼近：
外侧轴点坐标的第二次修改量Δxout、Δyout计算方法相同。
g、采用均方差函数来计算误差
h、检查此时误差ε是否小于设计值E或迭代达到最大值；若不是，则以新转轴下内外侧轴点处的缝道宽度和内侧缝道重叠量/>作为步骤b中给定的增升装置内外侧轴点处的初始的缝道宽度和缝道重叠量，重复步骤步骤c至h，若是则得到在足够满足给定的限制条件内的轴点坐标最终修改量，即为同时满足起飞着陆构型设计条件的轴点最终确定位置。
下面对上述设计方法在常见类型的增升装置上的适用性进行说明。
对于缝翼和铰链襟翼，其起飞位置和着陆位置需要满足定轴旋转的要求，可利用上述方法分别对起飞、着陆构型进行缝道参数计算，由于设计条件一般会有两对，包括内外侧起飞构型(gap、overlap值)和内外侧着陆构型(gap、overlap值)，但一对设计条件对应着一个迭代最优值，如设计需要同时顾及到起飞着陆限制条件，则需给定权重比，即给定起飞构型的计算值和着陆构型计算对于设计重要性的占比，最终按照起降构型的权重比来确定转轴的位置。
对于富勒襟翼等，工作时襟翼沿滑轨后退，襟翼位置存在弦向移动，可利用上述方法计算缝道参数后，将旋转轴进行平移。由于常规客机的尾缘后掠角一般为一常数，因此平移过程中缝道参数基本保持不变。
式中，x可表示缝翼、铰链襟翼或富勒襟翼的轴点的x坐标；y可表示缝翼、铰链襟翼或富勒襟翼的轴点的y坐标；ωtakeoff可表示缝翼、铰链襟翼或富勒襟翼的起飞构型的权重比；xtakeoff可表示缝翼、铰链襟翼或富勒襟翼的起飞构型的轴点的x坐标；ωland可为缝翼、铰链襟翼或富勒襟翼的着陆构型的权重比；xland可为缝翼、铰链襟翼或富勒襟翼的着陆构型的轴点的x坐标。
Claims (8)
1.一种满足机构运动和缝道参数的增升装置位置设计方法，其特征在于：
采用沿展向靠近机身的内侧轴点、沿展向远离机身的外侧轴点和偏角来描述缝翼和铰链襟翼的旋转轴、缝翼和铰链襟翼的位置，具体方法为：
a、计算增升装置初始的缝翼旋转轴和襟翼旋转轴的坐标位置；
b、给定增升装置初始的缝道宽度和缝道重叠量；
c、采集内外侧轴点变化对缝道参数的变化，进一步得到内外侧轴点坐标的第一次修改量；
d、计算修改后的新转轴内外侧轴点的坐标位置；
e、测量新转轴下内外侧轴点处的缝道宽度和缝道重叠量；进一步求得新转轴下内外侧轴点处的缝道宽度和缝道重叠量与给定的初始的缝道宽度和缝道重叠量差值的比例系数；
f、计算内外侧轴点坐标的第二次修改量；
g、采用均方差函数来计算误差；
h、重复步骤c至h，直到误差小于设计值或迭代达到最大值，得到内外侧轴点的最终确定位置。
2.如权利要求1所述一种满足机构运动和缝道参数的增升装置位置设计方法，其特征在于：步骤c中，计算内侧缝道宽度差值Δgapin和缝道重叠量差值Δoverlapin：
其中，分别为给定增升装置内外侧轴点处的初始的缝道宽度；/>与分别为用户设定的内外侧轴点处的初始的缝道宽度和缝道重叠量；
其次，令内侧轴点与外侧轴点x坐标的改变量Δx，只影响缝道宽度；内侧轴点与外侧轴点轴点y坐标的改变量Δy，只影响缝道重叠量；并结合工程经验，计算内侧轴点坐标的第一次修改量为：
Δxin＝0.2×Δgapin (3)
Δyin＝-3×Δoverlapin (4)
外侧轴点坐标的第一次修改量计算方法相同。
3.如权利要求1所述一种满足机构运动和缝道参数的增升装置位置设计方法，其特征在于：步骤e中，内侧缝道的宽度差值和重叠量差值的比例系数和/>计算方法为：
其中，与/>分别为新转轴下内测轴点处的缝道宽度和内侧缝道重叠量；/>与/>分别为给定的初始内侧缝道宽度和缝道重叠量；外侧轴点处的缝道的宽度差值和重叠量差值的比例系数计算方法相同。
4.如权利要求1所述一种满足机构运动和缝道参数的增升装置位置设计方法，其特征在于：步骤f中，内侧轴点坐标的第二次修改量Δxin和Δyin为：
其中，和/>分别为内侧缝道的宽度差值和重叠量差值的比例系数：/> 分别为给定增升装置内外侧轴点处的初始的缝道宽度；/>与/>分别为用户设定的内外侧轴点处的初始的缝道宽度和缝道重叠量。
5.如权利要求1所述一种满足机构运动和缝道参数的增升装置位置设计方法，其特征在于：内外侧轴点变化对缝道参数的变化基于条件：增升装置的外侧轴点仅影响外侧剖面缝道参数，增升装置的内侧轴点只影响内侧剖面缝道参数。
6.如权利要求2所述一种满足机构运动和缝道参数的增升装置位置设计方法，其特征在于：内外侧轴点坐标的第一次修改量基于条件：内侧轴点与外侧轴点x坐标的改变量Δx，仅影响缝道宽度；内侧轴点与外侧轴点轴点y坐标的改变量Δy，仅影响缝道重叠量。
7.如权利要求1所述一种满足机构运动和缝道参数的增升装置位置设计方法，其特征在于：步骤e中，新转轴下内外侧轴点处的缝道宽度和缝道重叠量的测量基于条件：缝道宽度改变量正比于内侧轴点与外侧轴点的x坐标改变量Δx，缝道重叠量改变量正比于内侧轴点与外侧轴点的y坐标改变量Δy。
8.如权利要求1所述一种满足机构运动和缝道参数的增升装置位置设计方法，其特征在于：对于缝翼和铰链襟翼，起飞位置和着陆位置需要满足定轴旋转的要求，采取起飞、着陆构型单独进行缝道参数计算，最终转轴按照权重比进行确定。
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