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一種基于狀態類型函數的飛行器參數化設計方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510408982.2

申請日:

2015.07.13

公開號:

CN104992023A

公開日:

2015.10.21

當前法律狀態:

實審

有效性:

審中

法律詳情: 實質審查的生效IPC(主分類):G06F 17/50申請日:20150713|||公開
IPC分類號: G06F17/50 主分類號: G06F17/50
申請人: 南京航空航天大學
發明人: 劉燕斌
地址: 210016江蘇省南京市御道街29號
優先權:
專利代理機構: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249 代理人: 嚴巧巧
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510408982.2

授權公告號:

|||

法律狀態公告日:

2015.11.18|||2015.10.21

法律狀態類型:

實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種基于狀態類型函數的飛行器參數化設計方法,提取描述飛行器外形的參數集輸入至MATLAB中,確定參數集中的參數之間的約束關系,利用MATLAB計算出飛行器上特征點的坐標,形成坐標文件;接著利用ANSYS讀取坐標文件生成飛行器外形,并利用ANSYS將飛行器外形進行網格劃分,形成網格數據;最后利用MATLAB讀取網格數據進行氣動力和推力的受力估算,最終獲得飛行器模型。本發明的設計效率高且保真度高,可很好地用于飛行器穩定性和性能品質分析。

權利要求書

權利要求書
1.  一種基于狀態類型函數的飛行器參數化設計方法,其特征在于:提取描述飛行器外形的參數集輸入至MATLAB中,確定參數集中的參數之間的約束關系,利用MATLAB計算出飛行器上特征點的坐標,形成坐標文件;接著利用ANSYS讀取坐標文件生成飛行器外形,并利用ANSYS將飛行器外形進行網格劃分,形成網格數據;最后利用MATLAB讀取網格數據進行氣動力和推力的受力估算,最終獲得飛行器模型。

2.  根據權利要求1所述的基于狀態類型函數的飛行器參數化設計方法,其特征在于:對每個飛行器表面的面元采用工程估算方法計算氣動力系數和力矩系數,疊加得到整個飛行器的氣動力系數和力矩系數,實現飛行器氣動力的估算過程。

3.  根據權利要求1所述的基于狀態類型函數的飛行器參數化設計方法,其特征在于:用一維模型計算發動機的推力系數,進而根據飛行器上各個部分的外形數據,估算推力方向和作用點,解算推力矩系數,完成推力的估算過程。

4.  根據權利要求1所述的基于狀態類型函數的飛行器參數化設計方法,其特征在于:受力估算后,采用拉格朗日方法推導飛行器的動力學方程,得到完整的飛行器模型。

說明書

說明書一種基于狀態類型函數的飛行器參數化設計方法
技術領域
本發明涉及飛行器設計領域,特別是基于狀態類型函數建立飛行器參數化模型的方法。
背景技術
飛行器為了達到卓越的性能,其組件和功能都是高度集成的,這種應用模式給傳統的設計范例、方法和工具帶來嚴重挑戰,因此研究并采用參數化的設計方法是十分必要的,以求滿足未來飛行器參數化結構定義、復雜模型建立、高保真度分析、多學科優化設計等方面的研究需求。
考慮到基于計算流體力學的飛行器氣動力分析模型過于復雜,在概念研究階段并不適用控制品質和飛行性能的迭代分析和評估,而參數化建模方法能夠提供適用于飛行器概念階段的迭代分析和性能評估,可以作為飛行器控制系統和總體優化設計的有效工具。
發明內容
發明目的:為了克服現有技術中存在的不足,本發明提供一種基于狀態類型函數的飛行器參數化設計方法,用于解決飛行器氣動力分析模型過于復雜,在概念研究階段并不適用控制品質和飛行性能的迭代分析和評估的技術問題。
技術方案:為實現上述目的,本發明采用的技術方案為:
一種基于狀態類型函數的飛行器參數化設計方法,提取描述飛行器外形的參數集輸入至MATLAB中,確定參數集中的參數之間的約束關系,利用MATLAB計算出飛行器上特征點的坐標形成坐標文件;接著利用ANSYS讀取坐標文件生成飛行器外形,并利用ANSYS將飛行器外形進行網格劃分即將表面畫出若干小的面元,形成網格數據;最后利用MATLAB讀取網格數據進行氣動力和推力的受力估算,結合重力等其它作用力,依據力的合成原理,最終獲得飛行器模型。
進一步的,在本發明中,在MATLAB環境下,通過讀取網格數據,對每個飛行器表面的面元采用工程估算方法計算氣動力系數和力矩系數,疊加得到整個飛行器的氣動力系數和力矩系數,實現飛行器氣動力的估算過程。
進一步的,在本發明中,在MATLAB環境下,讀取與推進系統相關的參數,用一維模型計算發動機的推力系數,進而根據飛行器上各個部分的外形數據,估算推力方向和作用點,解算推力矩系數,完成推力的估算過程,完成面向控制設計開發的發動機建模工作。
進一步的,在本發明中,受力估算后,采用拉格朗日方法推導飛行器的動力學方程,得到完整的飛行器模型。
實際要實現上述完整的開發過程需涉及多個功能模塊,并通過MATLAB和ANSYS環境下交互實現,各模塊之間、MATLAB與ANSYS之間的數據交換通過后處理模塊實現,本領域技術人員根據現有知識可以將通過上述描述完成各個功能模塊的搭建以及數據交互。
有益效果:
由于飛行器參數化建模技術以參數集來描述外形特征,氣動外形的改變對應集合中相應的氣動參數變化,又考慮到氣動力是參數集的函數,再根據飛行器受力情況,就可以得到飛行器動力學模型。飛行器參數化建模的優勢在于采用工程估算方法計算氣動力,可以大大提高效率,從而能較為方便地進行動力學分析、控制系統設計、外形優化等。
本發明可用于飛行器設計的早期階段,能快速建立具有一定保真度的數學模型,提高早期設計和分析的效率;能促進早期的控制設計與分析,實現一體化設計,使飛行器總體性能最優;可用于飛行器穩定性和性能品質分析,從控制的角度為飛行器總體設計提供有價值的信息反饋;基于一定保真度的參數化模型,實現飛行器氣動、結構、推進和控制等的一體化建模過程,為未來工程的實際應用提供好的技術支持。
附圖說明
圖1為基于狀態類型函數的飛行器參數化建模實現過程圖;
圖2為基于狀態類型函數的飛行器參數化外形的實現流程圖;
圖3為基于狀態類型函數的飛行器參數化建模的軟件實現方案。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
本發明提出的技術與實現過程將飛行器參數化建模過程分成幾何外形參數化、飛行器受力估算(包括氣動力和推力估算)和建立飛行器模型等部分。幾何參數化過程采用一些特征參數來描述飛行器外形,飛行器受力估算過程用來計算該外形飛行器的氣動力和推力,描述飛行器模型建立過程,并根據飛行器的受力情況和運動參數,構建飛行器姿態和軌跡運動的動力學/運動學方程,整個流程如圖1所示。
將飛行器的幾何外形分成兩類外形:機身類和機翼類。參數化時將機身/推進系統外表面一起作為機身外形處理,采用剖面曲線特征參數,以及剖曲線特征參數的變化來描 述;機翼的外形采用常見的翼形特征參數,如展長、弦長、厚度等描述。參數化方法的選擇既要考慮一般性、也要考慮描述的準確性。盡量選擇有物理意義的且直觀的參數,參數的個數在保證精度的同時要盡可能少。通過給出一組飛行器外形參數,依據參數化的建模方法就可以生成參數化外形,并用面元法計算飛行器受到的氣動力,過程如圖2所示。此外,本發明中把氣體在發動機內的流動看作準一維流,對推進系統進行簡化建模并根據動量定理估算推力。
飛行器參數化建模平臺能夠提供圖形用戶界面輸入飛行器幾何參數,用近似但有效的工程算法來得到非線性或/和線性的模型,并進行參數比較研究。飛行器幾何參數輸入在一個子界面中進行,軟件中面元可以選擇三角形和矩形兩種面元,并且可以在不同的飛行器設置不同的面元大小。氣動估算可以選擇不同的估算方法,設置飛行狀態參數并估算氣動力和推力。
對給定的飛行器外形參數,繪制飛行器外形并劃分網格,使用劃分的網格數據,采用面元法估算給定飛行器外形的氣動系數,從而作為以控制為中心氣動/推進/結構一體化設計的底層功能模塊,為上層控制律設計和外形優化過程提供支持。總的來說,整個軟件的實現方案為:以MATLAB為平臺,調用ANSYS獲取面元參數,再應用獲得的面元參數估計氣動參數,創新性地實現飛行器參數化模型的自動實現過程,圖3給出文件讀寫操作的實現方案。
具體功能實現包括以下四個步驟:
1)在MATLAB軟件平臺提供的用戶界面中,用戶輸入飛行器外形參數及相應的氣動參數,并設置計算條件。MATLAB按事先約定好的格式將繪制外形和劃分網格所需數據寫入文件GeoPara.txt中,通過接口程序驅動ANSYS進行下一步工作。
2)ANSYS啟動事先編輯好的命令流程序,從GeoPara.txt中讀取外形參數,繪制飛行器外形。
3)按事先定義或用戶自定義的網格劃分方式劃分網格,并將得到的網格數據以約定的格式寫入文件Panel.txt中。
4)MATLAB軟件平臺讀出網格數據,將網格數據轉換至計算坐標系下,即可調用氣動參數估算模塊,來進行下一步的計算工作。
總的來說,本發明提出基于狀態類型函數的飛行器復雜參數化建模實現的新方法,根據飛行器給定參數自動估算建模所需的氣動力和推力。所開發的飛行器建模和分析工具,用戶給出飛行器一組外形參數,無需人為干預,軟件能夠給出氣動力/力矩系數和推力/力矩系數。通過飛行器建模和分析工具的開發與集成,能夠建立飛行器參數化模型,使穩定性和可控性分析成為可能,滿足飛行器初步設計階段控制相關分析與設計要求, 能夠兼顧飛行器穩定與性能的多目標要求,滿足未來飛行器設計的優化與迭代。
以上所述僅是本發明的優選實施方式,應當指出:對于本技術領域的普通技術人員來說,在不脫離本發明原理的前提下,還可以做出若干改進和潤飾,這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。

關 鍵 詞:
一種 基于 狀態 類型 函數 飛行器 參數 設計 方法
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