一种基于状态类型函数的飞行器参数化设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及飞行器设计领域，特别是基于状态类型函数建立飞行器参数化模型的方法。
【背景技术】
[0002]飞行器为了达到卓越的性能，其组件和功能都是高度集成的，这种应用模式给传统的设计范例、方法和工具带来严重挑战，因此研宄并采用参数化的设计方法是十分必要的，以求满足未来飞行器参数化结构定义、复杂模型建立、高保真度分析、多学科优化设计等方面的研宄需求。
[0003]考虑到基于计算流体力学的飞行器气动力分析模型过于复杂，在概念研宄阶段并不适用控制品质和飞行性能的迭代分析和评估，而参数化建模方法能够提供适用于飞行器概念阶段的迭代分析和性能评估，可以作为飞行器控制系统和总体优化设计的有效工具。
【发明内容】
[0004]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于状态类型函数的飞行器参数化设计方法，用于解决飞行器气动力分析模型过于复杂，在概念研宄阶段并不适用控制品质和飞行性能的迭代分析和评估的技术问题。
[0005]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0006]一种基于状态类型函数的飞行器参数化设计方法，提取描述飞行器外形的参数集输入至MATLAB中，确定参数集中的参数之间的约束关系，利用MATLAB计算出飞行器上特征点的坐标形成坐标文件；接着利用ANSYS读取坐标文件生成飞行器外形，并利用ANSYS将飞行器外形进行网格划分即将表面画出若干小的面元，形成网格数据；最后利用MATLAB读取网格数据进行气动力和推力的受力估算，结合重力等其它作用力，依据力的合成原理，最终获得飞行器模型。
[0007]进一步的，在本发明中，在MATLAB环境下，通过读取网格数据，对每个飞行器表面的面元采用工程估算方法计算气动力系数和力矩系数，叠加得到整个飞行器的气动力系数和力矩系数，实现飞行器气动力的估算过程。
[0008]进一步的，在本发明中，在MATLAB环境下，读取与推进系统相关的参数，用一维模型计算发动机的推力系数，进而根据飞行器上各个部分的外形数据，估算推力方向和作用点，解算推力矩系数，完成推力的估算过程，完成面向控制设计开发的发动机建模工作。
[0009]进一步的，在本发明中，受力估算后，采用拉格朗日方法推导飞行器的动力学方程，得到完整的飞行器模型。
[0010]实际要实现上述完整的开发过程需涉及多个功能模块，并通过MATLAB和ANSYS环境下交互实现，各模块之间、MATLAB与ANSYS之间的数据交换通过后处理模块实现，本领域技术人员根据现有知识可以将通过上述描述完成各个功能模块的搭建以及数据交互。
[0011]有益效果:
[0012]由于飞行器参数化建模技术以参数集来描述外形特征，气动外形的改变对应集合中相应的气动参数变化，又考虑到气动力是参数集的函数，再根据飞行器受力情况，就可以得到飞行器动力学模型。飞行器参数化建模的优势在于采用工程估算方法计算气动力，可以大大提高效率，从而能较为方便地进行动力学分析、控制系统设计、外形优化等。
[0013]本发明可用于飞行器设计的早期阶段，能快速建立具有一定保真度的数学模型，提高早期设计和分析的效率；能促进早期的控制设计与分析，实现一体化设计，使飞行器总体性能最优；可用于飞行器稳定性和性能品质分析，从控制的角度为飞行器总体设计提供有价值的信息反馈；基于一定保真度的参数化模型，实现飞行器气动、结构、推进和控制等的一体化建模过程，为未来工程的实际应用提供好的技术支持。
【附图说明】
[0014]图1为基于状态类型函数的飞行器参数化建模实现过程图；
[0015]图2为基于状态类型函数的飞行器参数化外形的实现流程图；
[0016]图3为基于状态类型函数的飞行器参数化建模的软件实现方案。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0018]本发明提出的技术与实现过程将飞行器参数化建模过程分成几何外形参数化、飞行器受力估算(包括气动力和推力估算)和建立飞行器模型等部分。几何参数化过程采用一些特征参数来描述飞行器外形，飞行器受力估算过程用来计算该外形飞行器的气动力和推力，描述飞行器模型建立过程，并根据飞行器的受力情况和运动参数，构建飞行器姿态和轨迹运动的动力学/运动学方程，整个流程如图1所示。
[0019]将飞行器的几何外形分成两类外形:机身类和机翼类。参数化时将机身/推进系统外表面一起作为机身外形处理，采用剖面曲线特征参数，以及剖曲线特征参数的变化来描述；机翼的外形采用常见的翼形特征参数，如展长、弦长、厚度等描述。参数化方法的选择既要考虑一般性、也要考虑描述的准确性。尽量选择有物理意义的且直观的参数，参数的个数在保证精度的同时要尽可能少。通过给出一组飞行器外形参数，依据参数化的建模方法就可以生成参数化外形，并用面元法计算飞行器受到的气动力，过程如图2所示。此外，本发明中把气体在发动机内的流动看作准一维流，对推进系统进行简化建模并根据动量定理估算推力。
[0020]飞行器参数化建模平台能够提供图形用户界面输入飞行器几何参数，用近似但有效的工程算法来得到非线性或/和线性的模型，并进行参数比较研宄。飞行器几何参数输入在一个子界面中进行，软件中面元可以选择三角形和矩形两种面元，并且可以在不同的飞行器设置不同的面元大小。气动估算可以选择不同的估算方法，设置飞行状态参数并估算气动力和推力。
[0021]对给定的飞行器外形参数，绘制飞行器外形并划分网格，使用划分的网格数据，采用面元法估算给定飞行器外形的气动系数，从而作为以控制为中心气动/推进/结构一体化设计的底层功能模块，为上层控制律设计和外形优化过程提供支持。总的来说，整个软件的实现方案为:以MATLAB为平台，调用ANSYS获取面元参数，再应用获得的面元参数估计气动参数，创新性地实现飞行器参数化模型的自动实现过程，图3给出文件读写操作的实现方案。
[0022]具体功能实现包括以下四个步骤:
[0023]I)在MATLAB软件平台提供的用户界面中，用户输入飞行器外形参数及相应的气动参数，并设置计算条件。MATLAB按事先约定好的格式将绘制外形和划分网格所需数据写入文件GeoPara.txt中，通过接口程序驱动ANSYS进行下一步工作。
[0024]2) ANSYS启动事先编辑好的命令流程序，从GeoPara.txt中读取外形参数，绘制飞行器外形。
[0025]3)按事先定义或用户自定义的网格划分方式划分网格，并将得到的网格数据以约定的格式写入文件Panel, txt中。
[0026]4)MATLAB软件平台读出网格数据，将网格数据转换至计算坐标系下，即可调用气动参数估算模块，来进行下一步的计算工作。
[0027]总的来说，本发明提出基于状态类型函数的飞行器复杂参数化建模实现的新方法，根据飞行器给定参数自动估算建模所需的气动力和推力。所开发的飞行器建模和分析工具，用户给出飞行器一组外形参数，无需人为干预，软件能够给出气动力/力矩系数和推力/力矩系数。通过飞行器建模和分析工具的开发与集成，能够建立飞行器参数化模型，使稳定性和可控性分析成为可能，满足飞行器初步设计阶段控制相关分析与设计要求，能够兼顾飞行器稳定与性能的多目标要求，满足未来飞行器设计的优化与迭代。
[0028]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基于状态类型函数的飞行器参数化设计方法，其特征在于:提取描述飞行器外形的参数集输入至MATLAB中，确定参数集中的参数之间的约束关系，利用MATLAB计算出飞行器上特征点的坐标，形成坐标文件；接着利用ANSYS读取坐标文件生成飞行器外形，并利用ANSYS将飞行器外形进行网格划分，形成网格数据；最后利用MATLAB读取网格数据进行气动力和推力的受力估算，最终获得飞行器模型。2.根据权利要求1所述的基于状态类型函数的飞行器参数化设计方法，其特征在于:对每个飞行器表面的面元采用工程估算方法计算气动力系数和力矩系数，叠加得到整个飞行器的气动力系数和力矩系数，实现飞行器气动力的估算过程。3.根据权利要求1所述的基于状态类型函数的飞行器参数化设计方法，其特征在于:用一维模型计算发动机的推力系数，进而根据飞行器上各个部分的外形数据，估算推力方向和作用点，解算推力矩系数，完成推力的估算过程。4.根据权利要求1所述的基于状态类型函数的飞行器参数化设计方法，其特征在于:受力估算后，采用拉格朗日方法推导飞行器的动力学方程，得到完整的飞行器模型。
【专利摘要】本发明公开了一种基于状态类型函数的飞行器参数化设计方法，提取描述飞行器外形的参数集输入至MATLAB中，确定参数集中的参数之间的约束关系，利用MATLAB计算出飞行器上特征点的坐标，形成坐标文件；接着利用ANSYS读取坐标文件生成飞行器外形，并利用ANSYS将飞行器外形进行网格划分，形成网格数据；最后利用MATLAB读取网格数据进行气动力和推力的受力估算，最终获得飞行器模型。本发明的设计效率高且保真度高，可很好地用于飞行器稳定性和性能品质分析。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN104992023
【申请号】CN201510408982
【发明人】刘燕斌
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年7月13日