CN116720264B - 考虑气动力/热累积变形反向几何预置的气动布局方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑气动力/热累积变形反向几何预置的气动布局方法,包括以下步骤:S1、针对固定的理想飞行器构型,给定其长航时巡航计算状态,耦合计算飞行时长T0,划分好飞行器流场计算网格G1和结构场计算网格S1;S2、对已知的理想最优气动布局开展气动力/热变形作用下的累积热变形预测,得到理想飞行器构型的累积热变形量;S3、以理想飞行器构型的累积热变形量为基础,给出修正系数,将理想最优气动布局进行累积热变形预测,将其与理想构型进行对比,根据偏差调整修正系数,不断迭代优化修正系数,最终使得反向预置的气动布局经过热变形后能够回到理想最优布局,此时的反向预置的气动布局就是考虑热变形效应下的初始最优气动布局。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器气动布局设计领域,具体涉及一种考虑气动力/热累积变形反向几何预置的气动布局方法。
背景技术
未来的长航时高超声速飞行器通常需要以Ma6+的速度在稠密大气层中进行小时级的长时间飞行,因此将面临严酷的气动力/热作用,同时该类飞行器构型多采用大尺度细长的升力体构型,并且由于结构质量限制,机身及各翼/舵面通常广泛采用轻质材料和大型薄壁结构设计,具备更强的柔性特征。上述大尺度柔性薄壁结构在长时间气动加热作用下会产生巨大的非均匀温升进而引发材料的‘软化’及热应力,在气动力载荷叠加作用下将会带来显著的热变形,该变形会随时间缓慢累积,产生累积热变形。随时间的累积热变形造成飞行器气动布局外形实际上并不是静态的,而是随时间发生变化的,从而偏离其最优布局这一静态设计基点。如果按照刚性不变布局进行优化设计得到的飞行器一旦偏离设计基点,将会导致气动性能的快速下降,无法获得综合性能最优。为了应对这一问题,气动布局的决策就必须在设计初期就充分长航时的累积热变形的影响,以对这种影响进行主动的抵消和控制。
为了实现上述目标,实际上需要将飞行器的设计基点后移至飞行器累积热变形后的近平衡状态,使得飞行器的最优几何外形状态应当是初始布局构型加上累积热变形近平衡后的气动外形。要获得这样的气动外形,必须根据累积热变形量进行反向预置变形得到初始气动布局,即在几何上反向预置力/热变形的增量。也就是初始气动布局加上初始气动布局的力/热累积变形等于理想飞行器构型。在通常的设计中理想飞行器构型是已知的,初始气动布局和初始气动布局的力/热累积变形都是未知的,因此该问题成为典型的反问题而无法求解。
发明内容
针对现有技术中的上述不足,本发明提供的一种考虑气动力/热累积变形反向几何预置的气动布局方法解决了考虑气动力/热长时间作用下引发累积热变形不利影响的飞行器设计的问题。
为了达到上述发明目的,本发明采用的技术方案为:一种考虑气动力/热累积变形反向几何预置的气动布局方法,包括以下步骤:
S1、针对固定的理想飞行器构型,给定其长航时巡航计算状态,耦合计算飞行时长T0,划分好飞行器流场计算网格G1和结构场计算网格S1;
S2、对已知的理想最优气动布局开展气动力/热变形作用下的累积热变形预测,得到理想飞行器构型的累积热变形量;
S3、以理想飞行器构型的累积热变形量为基础,给出修正系数,将理想最优气动布局进行累积热变形预测,将其与理想构型进行对比,根据偏差调整修正系数,不断迭代优化修正系数,最终使得反向预置的气动布局经过热变形后能够回到理想最优布局,此时的反向预置的气动布局就是考虑热变形效应下的初始最优气动布局。
进一步地:所述步骤S1中巡航计算状态包括高度H、飞行攻角α、飞行马赫数Ma。
进一步地:所述步骤S2具体为:
S21、对理想飞行器构型,进行t=0s时刻气动力/热环境数据的计算求解,求解时壁面温度根据结构状态给定初始时刻壁面温度,利用有限体积法求解三维可压缩Navier-Stokes方程,获得巡航状态下的飞行器表面每一点Mi处的气动压力数据Pi和热流数据Qi;/>,N为整个飞行器表面流场网格点的总数;
S22、给定固定的耦合时间步长Δtc,将气动压力数据Pi和热流数据Qi采用反距离权重方法插值到结构网格S1表面,通过求解三维瞬态热传导方程计算得到Δtc结构场每一点的温度数据,进而采用反距离权重方法插值得到飞行器表面每一点的温度数据;/>,N1为整个飞行器结构网格点的总点数;
S23、根据飞行器表面每一点的温度数据基于热壁修正得到Δtc时刻的热流数据/>;
S24、将Δtc时刻的气动压力数据Pi和热流数据采用反距离权重方法插值到结构网格S1表面;
S25、重复步骤S23-S24,获得下一个时刻2*Δtc时刻的温度场和热变形结果,直到得到T0时刻的累积热变形数据。
进一步地:所述步骤S3具体为:
S31、基于累积热变形数据,采用公式/>进行寻优迭代,将因子β的初始值设为1,根据该公式得到当前β因子下反向预置初始布局/>,针对该布局重复步骤S2的计算过程,得到反向预置初始布局/>的累积热变形量/>;
S32、计算反向预置初始布局变形后的外形/>+/>与理想布局/>的偏差/>,给定偏差阈值σ,如果/>的绝对值大于σ,对因子β进行修正;
S33、通过修正后的因子β计算得到新的修正外形,返回步骤S31,计算新的偏差,直到/>的绝对值小于σ结束循环,此时得到的/>就是所求的初始反向预置气动布局构型。
进一步地:所述β的修正公式为:
。
进一步地:所述偏差阈值σ的取值为0.1mm。
本发明的有益效果为:本发明在气动布局设计中一开始就能够考虑累积变形的不利影响,通过提前对初始气动布局进行了热变形的反向几何预置,可以使得飞行器经过长时间的飞行后产生累积热变形后得到的布局是飞行状态最佳的气动布局,使得飞行器在整个飞行过程中能够维持很好的气动性能,从而避免了一开始气动布局是飞行状态最佳的情况下经过累积热变形气动性能大幅下降的不利影响。
附图说明
图1是该方法的基本原理图;
图2是高超声速平板构型模型图;
图3是高超声速平板构型的计算网格示意图;
图4是1000s时刻热变形的结果及机翼最前缘点位移随时间历程的变化图;
图5为β值为1反向预置初始构型示意图;
图6是β值为1反向预置初始构型的累积热变形情况示意图;
图7是β值为0.5最终得到的反向预置初始构型及其累积热变形情况示意图;
图8是β值为0.5最终得到的反向预置初始构型及其累积热变形情况示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示,一种考虑气动力/热累积变形反向几何预置的气动布局方法,包括以下步骤:
S1、针对固定的理想飞行器构型,给定其长航时巡航计算状态,包括高度H、飞行攻角α、飞行马赫数Ma,耦合计算飞行时长T0,划分好飞行器流场计算网格G1和结构场计算网格S1;
S2、对已知的理想最优气动布局开展气动力/热变形作用下的累积热变形预测,得到理想飞行器构型的累积热变形量;
S21、对理想飞行器构型,进行t=0s时刻气动力/热环境数据的计算求解,求解时壁面温度根据结构状态给定初始时刻壁面温度,利用有限体积法求解三维可压缩Navier-Stokes方程,获得巡航状态下的飞行器表面每一点Mi处的气动压力数据Pi和热流数据Qi;/>,N为整个飞行器表面流场网格点的总数;
S22、给定固定的耦合时间步长Δtc,将气动压力数据Pi和热流数据Qi采用反距离权重方法插值到结构网格S1表面,通过求解三维瞬态热传导方程计算得到Δtc结构场每一点的温度数据,进而采用反距离权重方法插值得到飞行器表面每一点的温度数据;/>,N1为整个飞行器结构网格点的总点数;
S23、根据飞行器表面每一点的温度数据基于热壁修正得到Δtc时刻的热流数据/>;
S24、将Δtc时刻的气动压力数据Pi和热流数据采用反距离权重方法插值到结构网格S1表面;
S25、重复步骤S23-S24,获得下一个时刻2*Δtc时刻的温度场和热变形结果,直到得到T0时刻的累积热变形数据。
S3、以理想飞行器构型的累积热变形量为基础,给出修正系数,将理想最优气动布局进行累积热变形预测,将其与理想构型进行对比,根据偏差调整修正系数,不断迭代优化修正系数,最终使得反向预置的气动布局经过热变形后能够回到理想最优布局,此时的反向预置的气动布局就是考虑热变形效应下的初始最优气动布局。
S31、基于累积热变形数据,采用公式/>进行寻优迭代,将因子β的初始值设为1,根据该公式得到当前β因子下反向预置初始布局/>,针对该布局重复步骤S2的计算过程,得到反向预置初始布局/>的累积热变形量/>;
S32、计算反向预置初始布局变形后的外形/>+/>与理想布局/>的偏差/>,/>,给定偏差阈值σ,如果/>的绝对值大于σ,对因子β进行修正,修正公式为:/>;
S33、通过修正后的因子β计算得到新的修正外形,返回步骤S31,计算新的偏差,直到/>的绝对值小于σ结束循环,此时得到的/>就是所求的初始反向预置气动布局构型。
在本发明的一个实施例中,选用某一高超声速二维平板构型作为理想构型如图2所示,该平板为空芯构型,材料为GH1015,结构厚度为3mm,给定其长航时巡航计算状态,高度,飞行攻角/>,飞行马赫数/>,耦合计算飞行时长/>,划分好飞行器流场计算网格/>和结构场计算网格/>。如图3所示。
根据初始时刻的计算状态根据步骤S2计算得到的理想构型的累积热变形数据,,/>,计算1000s飞行后的热变形情况如图4所示。
在值为1的情况下得到的反向预置构型如图5所示,。其经过长时间的累积变形后状态与理想构型的对比如图6所示。
给定最前缘点垂直方向位移的偏差阈值,根据步骤S3反复进行迭代,最终得到/>值为0.5时满足要求,此时的初始气动布局构型以及该构型在长时间的力/热作用下变形后的外形与理想构型的对比图如图7所示,可以看到该构型回到了理想构型。
图8给出了理想构型和值为0.5时的反向预置构型在长时间飞行产生下的升阻比变化图,从图中可以看到反向预置构型的升阻比在整个飞行过程中要优于理想构型,这证明了本发明的效果。
Claims (4)
1.一种考虑气动力/热累积变形反向几何预置的气动布局方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、针对固定的理想飞行器构型,给定其长航时巡航计算状态,划分好飞行器流场计算网格G1和结构场计算网格S1;
S2、对已知的理想最优气动布局开展气动力/热变形作用下的累积热变形预测,得到理想飞行器构型的累积热变形量;
S3、以理想飞行器构型的累积热变形量为基础,给出修正系数,将理想最优气动布局进行累积热变形预测,将其与理想构型进行对比,根据偏差调整修正系数,不断迭代优化修正系数,最终使得反向预置的气动布局经过热变形后能够回到理想最优布局,此时的反向预置的气动布局就是考虑热变形效应下的初始最优气动布局;
所述步骤S2具体为:
S21、对理想飞行器构型,进行t=0s时刻气动力/热环境数据的计算求解,求解时壁面温度根据结构状态给定初始时刻壁面温度,利用有限体积法求解三维可压缩Navier-Stokes方程,获得巡航状态下的飞行器表面每一点Mi处的气动压力数据Pi和热流数据Qi;,N为整个飞行器表面流场网格点的总数;
S22、给定固定的耦合时间步长Δtc,将气动压力数据Pi和热流数据Qi采用反距离权重方法插值到结构场计算网格S1表面,通过求解三维瞬态热传导方程计算得到Δtc结构场每一点的温度数据,进而采用反距离权重方法插值得到飞行器表面每一点的温度数据;/>,N1为整个飞行器结构网格点的总点数;
S23、根据飞行器表面每一点的温度数据基于热壁修正得到Δtc时刻的热流数据/>;
S24、将Δtc时刻的气动压力数据Pi和热流数据采用反距离权重方法插值到结构网格S1表面;
S25、重复步骤S23-S24,获得下一个时刻2Δtc时刻的温度场和热变形结果,直到得到T0时刻的累积热变形数据/>;
所述步骤S3具体为:
S31、基于累积热变形数据,采用公式/>进行寻优迭代,将因子β的初始值设为1,根据该公式得到当前β因子下反向预置初始布局/>,针对该布局重复步骤S2的计算过程,得到反向预置初始布局/>的累积热变形量/>;
S32、计算反向预置初始布局变形后的外形/>+/>与理想布局/>的偏差,给定偏差阈值σ,如果/>的绝对值大于σ,对因子β进行修正;
S33、通过修正后的因子β计算得到新的修正外形,返回步骤S31,计算新的偏差,直到/>的绝对值小于σ结束循环,此时得到的/>就是所求的初始反向预置气动布局构型。
2.根据权利要求1所述的考虑气动力/热累积变形反向几何预置的气动布局方法,其特征在于,所述步骤S1中巡航计算状态包括高度H、飞行攻角α、飞行马赫数Ma,耦合计算飞行时长T0。
3.根据权利要求1所述的考虑气动力/热累积变形反向几何预置的气动布局方法,其特征在于,所述β的修正公式为:
。
4.根据权利要求1所述的考虑气动力/热累积变形反向几何预置的气动布局方法,其特征在于,所述偏差阈值σ的取值为0.1mm。
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充气式再入减速器动态气动载荷与结构特性研究;吴杰;张章;侯安平;王立武;王洁;曹旭;;宇航学报(第03期);全文 * |
吴杰 ; 张章 ; 侯安平 ; 王立武 ; 王洁 ; 曹旭 ; .充气式再入减速器动态气动载荷与结构特性研究.宇航学报.2020,(第03期),全文. * |
徐翔 ; 伍贻兆 ; 程克明 ; 王志坚 ; .高超声速风洞气动布局设计.南京航空航天大学学报.2008,(第02期),全文. * |
桂业伟 ; 刘磊 ; 魏东 ; .长航时高超声速飞行器的综合热效应问题.空气动力学学报.2020,(第04期),全文. * |
长航时高超声速飞行器的综合热效应问题;桂业伟;刘磊;魏东;;空气动力学学报(第04期);全文 * |
高超声速风洞气动布局设计;徐翔;伍贻兆;程克明;王志坚;;南京航空航天大学学报(第02期);全文 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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CN116720264A (zh) | 2023-09-08 |
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