一种旋翼桨叶气动布局高效优化设计方法与流程

本发明属于直升机旋翼气动设计，特别涉及一种旋翼桨叶气动布局高效优化设计方法。

背景技术：

1、旋翼桨叶气动布局设计是指以气动/噪声为设计目标，兼顾结构特性，在二维翼型的基础上，通过正负扭转、弦长变化、桨尖型式等设计获得旋翼桨叶三维外形，桨叶气动布局优化设计方法直接决定了是否能够设计出满足性能指标要求的布局方案。

2、目前行业内普遍采用基于优化算法的旋翼气动布局优化设计技术取代“人工海算”，利用优化算法进行寻优，在足够多的样本点基础上找到满足要求的方案。为了提高精度，该类旋翼气动布局优化设计技术往往调用基于cfd的高精度方法进行气动分析，由于cfd方法的计算周期较长，较多的样本点计算将会导致计算量巨大，成本和周期都难以接受。

3、一种旋翼桨叶气动布局高效优化设计方法采用基于变可信度模型的优化方法，在每次循环中同时生成少量的高可信度样本点以及多个低可信度样本点，分别结合基于cfd的旋翼气动高精度分析方法和基于自由尾迹的旋翼气动低精度分析方法生成响应值，建立不同可信度的代理模型，并通过低可信度代理模型对高可信度代理模型进行修正。在优化迭代过程中，大幅减少对比较耗时的高精度旋翼气动特性分析程序调用次数，提高优化效率的同时保证精度，具有较高的工程实用价值。

技术实现思路

1、区别于传统的桨叶气动布局优化设计方法，本发明采用变可信度的代理模型和不同分析精度的旋翼气动特性分析模型，结合适用于桨叶气动布局设计的优化流程，构建一种旋翼桨叶气动布局的高效优化设计方法，有效地提升了桨叶气动布局优化设计的计算效率。

2、一种旋翼桨叶气动布局高效优化设计方法，具体实施方式如下：

3、(1)制定优化状态及目标；

4、(2)制定桨叶优化设计参数及范围；

5、(3)在桨叶优化设计参数及范围内，通过试验设计在不同可信度的多个代理模型层抽样得到桨叶优化设计参数样本点集，基于桨叶参数化模型构建桨叶气动外形，然后使用不同分析精度的旋翼气动特性分析模型分别对样本点集中的低可信度样本点和高可信度样本点进行计算评估；

6、(4)在低可信度数据集上建立低可信度代理模型，并将其作为趋势模型引入到下一层高可信度代理模型建模过程之中，不断重复此过程完成变可信度的代理模型建模；

7、(5)在变可信度的代理模型上求解子优化问题，找到最优解，再将找到的最优解作为新的样本点，继续使用不同分析精度的旋翼气动特性分析模型计算其响应值并添加在高可信度数据集中和低可信度数据集中；

8、(6)更新变可信度的代理模型；

9、(7)重复(4)-(6)过程直到优化收敛。

10、所述步骤(1)具体为：根据旋翼桨叶优化设计要求和指标，明确需要进行计算分析的飞行状态为悬停状态和平飞状态，相应的分析评估的优化目标为悬停效率和旋翼前飞升阻比。

11、所述步骤(2)具体为：在基准旋翼外形的基础上，选取4个桨叶外形参数变量进行优化设计：弦长增加起始位置，优化范围为0.6r～0.8r；后掠起始位置处弦长，优化范围为1.1c～1.3c；后掠起始位置，优化范围为0.8r～0.95r；1.0r处后缘点到水平后缘线的距离，优化范围为0c～0.5c。上述r为旋翼半径，c为桨叶主翼型段起始位置处弦长。

12、所述步骤(3)多个代理模型层具体为：多个代理模型层可分为高可信度代理模型层和低可信度代理模型层；高可信度代理模型层由高可信度样本点参数以及采用高分析精度的旋翼气动特性分析模型计算得到的响应值共同建立，低可信度代理模型层由低可信度样本点参数以及采用低分析精度的旋翼气动特性分析模型计算得到的响应值共同建立。

13、所述步骤(3)不同分析精度的旋翼气动特性分析模型具体为：对样本点进行计算评估所采用的不同计算精度的分析方法，包括基于cfd的高精度分析方法和基于自由尾迹的低精度分析方法等，高精的分析方法用时较长，低精度分析方法用时较短。

14、所述步骤(3)桨叶优化设计参数样本点集具体为：桨叶优化设计参数样本点集包含弦长增加起始位置、后掠起始位置处弦长、后掠起始位置、1.0r处后缘点到水平后缘线的距离这4类参数，每组参数可通过桨叶参数化模型构建形成不同的桨叶气动外形。

15、所述步骤(4)低可信度数据集具体为：由低可信度样本点集及对应的低可信度响应值共同组成。

16、所述步骤(5)新的样本点具体为：在变可信度的代理模型上寻优得到的新样本点，该样本点若从低可信度代理模型寻优得出，则通过低分析精度的旋翼气动特性分析模型计算其响应值，若从高可信度代理模型寻优得出，则通过高分析精度的旋翼气动特性分析模型计算其响应值。

17、传统方法和本发明方法的计算流程如图1所示。

18、本发明的技术效果：

19、以悬停效率和前飞升阻比提升为目标针对旋翼桨叶气动布局进行优化设计，采用传统方法和本发明方法进行对比，从图2可以看出，两种方法均有较好的优化趋势效果，产生了“pareto”前沿，而本发明方法可以通过生成较少的高可信度样本点集，减少对耗时比较长的高分析精度的旋翼气动特性分析模型的调用，从而有效地提升了桨叶气动布局优化设计的计算效率。从图3和图4可以看出，本发明方法得到的优化方案，与基准方案相比，旋翼悬停效率和前飞升阻比均实现了提升，证明了本发明的有效性。

技术特征：

1.一种旋翼桨叶气动布局高效优化设计方法，其特征在于，具体实施方式如下：

2.根据权利要求1所述的旋翼桨叶气动布局高效优化设计方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：制定优化状态及目标；根据旋翼桨叶优化设计要求和指标，明确需要进行计算分析的飞行状态为悬停状态和平飞状态，相应的分析评估的优化目标为悬停效率和旋翼前飞升阻比。

3.根据权利要求1所述的旋翼桨叶气动布局高效优化设计方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：制定桨叶优化设计参数及范围；在基准旋翼外形的基础上，选取4个桨叶外形参数变量进行优化设计：弦长增加起始位置，优化范围为0.6r～0.8r；后掠起始位置处弦长，优化范围为1.1c～1.3c；后掠起始位置，优化范围为0.8r～0.95r；1.0r处后缘点到水平后缘线的距离，优化范围为0c～0.5c。上述r为旋翼半径，c为桨叶主翼型段起始位置处弦长。

4.根据权利要求1所述的旋翼桨叶气动布局高效优化设计方法，其特征在于，所述步骤(3)多个代理模型层具体为：多个代理模型层可分为高可信度代理模型层和低可信度代理模型层；高可信度代理模型层由高可信度样本点参数以及采用高分析精度的旋翼气动特性分析模型计算得到的响应值共同建立，低可信度代理模型层由低可信度样本点参数以及采用低分析精度的旋翼气动特性分析模型计算得到的响应值共同建立。

5.根据权利要求1所述的旋翼桨叶气动布局高效优化设计方法，其特征在于，所述步骤(3)不同分析精度的旋翼气动特性分析模型具体为：对样本点进行计算评估所采用的不同计算精度的分析方法，包括基于cfd的高精度分析方法和基于自由尾迹的低精度分析方法等，高精的分析方法用时较长，低精度分析方法用时较短。

6.根据权利要求1所述的旋翼桨叶气动布局高效优化设计方法，其特征在于，所述步骤(3)桨叶优化设计参数样本点集具体为：桨叶优化设计参数样本点集包含弦长增加起始位置、后掠起始位置处弦长、后掠起始位置、1.0r处后缘点到水平后缘线的距离这4类参数，每组参数可通过桨叶参数化模型构建形成不同的桨叶气动外形。

7.根据权利要求1所述的旋翼桨叶气动布局高效优化设计方法，其特征在于，所述步骤(4)低可信度数据集具体为：由低可信度样本点集及对应的低可信度响应值共同组成。

8.根据权利要求1所述的旋翼桨叶气动布局高效优化设计方法，其特征在于，所述步骤(5)新的样本点具体为：在变可信度的代理模型上寻优得到的新样本点，该样本点若从低可信度代理模型寻优得出，则通过低分析精度的旋翼气动特性分析模型计算其响应值，若从高可信度代理模型寻优得出，则通过高分析精度的旋翼气动特性分析模型计算其响应值。

技术总结
本发明属于直升机旋翼气动设计技术领域，特别涉及一种旋翼桨叶气动布局高效优化设计方法。本发明采用变可信度的代理模型和不同分析精度的旋翼气动特性分析模型，结合适用于桨叶气动布局设计的优化流程，构建一种旋翼桨叶气动布局的高效优化设计方法，有效地提升了桨叶气动布局优化设计的计算效率。以悬停效率和前飞升阻比提升为目标针对旋翼桨叶气动布局进行优化设计，通过生成较少的高可信度样本点集，减少对耗时比较长的高分析精度的旋翼气动特性分析模型的调用，从而有效地提升了桨叶气动布局优化设计的计算效率。

技术研发人员：邓景辉,曹亚雄,孙朋朋,曾伟,刘平安
受保护的技术使用者：中国直升机设计研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25