本發(fā)明屬于飛機油箱內(nèi)隔板串油孔布局設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及基于光滑粒子流體動力學的飛機油箱串油特性優(yōu)化方法。

技術(shù)背景

為了在不破壞氣動結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提升飛機續(xù)航能力，設(shè)計師們往往選擇將結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、空間可利用性較差的部分作為燃油存放區(qū)域，其中最為典型的即為機翼油箱布局；為了在飛行過程中抑制油體運動，方便油量測定，提高結(jié)構(gòu)強度，油箱中一般會設(shè)置若干隔板；同時為降低飛機質(zhì)量，方便人工檢修，使得大過載運動后油體質(zhì)心盡快恢復(fù)至平衡狀態(tài)，油箱隔板需開孔以保證各個隔艙間的連通；傳統(tǒng)設(shè)計方案中通常不考慮油體流動問題，串油孔極大，串油性能過度冗余，既降低了對油體波動的抑制，對大飛機動輒數(shù)十噸的燃油而言意味著飛行穩(wěn)定性嚴重下降，同時也降低了承力結(jié)構(gòu)的強度，導致飛機質(zhì)量增加。對于油箱內(nèi)燃油流動問題，國際同行們的工作鮮有報道，常用的流體模擬方法對自由液面波動、破碎的仿真能力較弱，運算消耗極大，對飛機油箱中可能存在的劇烈流動問題適應(yīng)性不理想。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供基于光滑粒子流體動力學的飛機油箱串油特性優(yōu)化方法，使用光滑粒子流體動力學知識(以下簡稱為“SPH”)模擬液體流動，可以較好地模擬液體自由液面的破碎行為，同時降低運算量，為迭代優(yōu)化的實現(xiàn)創(chuàng)造可能。

為達到上述目標，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

基于光滑粒子流體動力學的飛機油箱串油特性優(yōu)化方法，包括以下步驟：

1)小充液比油箱隔板設(shè)計：

隨著油箱充液比逐漸減小，燃油液面晃動幅度與平復(fù)時間將逐漸變大，以受影響最大的小充液比工況為優(yōu)先設(shè)計工況，定義工程設(shè)計中常用的30％充液比為小充液比工況；

2)確定設(shè)計變量

取圓形作為串油孔開孔形狀，每個串油孔包含圓心坐標x、y以及半徑r共計3個變量，在隔板上均勻布置n個串油孔，將其作為初始布局，此時共有3n個變量，將這些變量有序地存儲到向量中；

3)確定目標函數(shù)——平衡時長t_平衡：

以串油性能最佳為優(yōu)化目標，將燃油質(zhì)心開始波動到波動強度衰減至可接受值B_標準所用的時長設(shè)定為衡量串油性能的指標，命名為平衡時長t_平衡，平衡時長t_平衡即為關(guān)于設(shè)計變量的目標函數(shù)；

定義外界激勵結(jié)束時刻為初始時刻，從初始時刻開始計時，定義經(jīng)過平衡時長t_平衡后燃油的狀態(tài)為平衡狀態(tài)，此時為時刻T_平衡；

平衡時長t_平衡具體求解步驟如下：

3.1)利用SPH方法求解運動狀態(tài)：

利用SPH方法計算出任意時刻燃油所有微粒的運動狀態(tài)，包括任意時刻各個微粒的位置、速度、加速度、壓強、密度；

3.2)建立平衡函數(shù)并求出平衡時長t_平衡：

3.2.1)計算質(zhì)心位置：

依據(jù)步驟3.1)獲得的所有微粒的位置坐標計算出任意時刻這些微粒所共同構(gòu)建的燃油整體的質(zhì)心坐標

3.2.2)定義平衡無流動狀態(tài)：

定義一個對比流體，其粘度系數(shù)為燃油粘度的10倍，其它參數(shù)一致，利用SPH方法計算對比流體的微粒運動狀態(tài)；記錄初始時刻該對比流體所有微粒加速度大小之和，其后隨著時間的推進，當對比流體中所有微粒的加速度大小之和為初始時刻的1％時，定義流體此時的狀態(tài)為平衡無流動狀態(tài)；

3.2.3)構(gòu)建平衡函數(shù)：

設(shè)定油箱共有l(wèi)個隔艙，定義第e號隔艙t時刻燃油質(zhì)心為其平衡無流動狀態(tài)下質(zhì)心為定義平衡函數(shù)為t時刻所有隔艙流體質(zhì)心相對于平衡無流動狀態(tài)下質(zhì)心的波動強度：

上式中，為t時刻所有隔艙燃油質(zhì)心相對于平衡無流動狀態(tài)下質(zhì)心的平均波動幅值，V為燃油總體積；此時，平衡函數(shù)表征t時刻所有隔艙中燃油質(zhì)心的波動強度，為無量綱量；

3.2.4)計算平衡時長t_平衡：

記錄平衡函數(shù)隨時間變化產(chǎn)生的波峰及波谷，在不引入新外界激勵的條件下，如果連續(xù)波峰或波谷連續(xù)三次低于標準值B_標準，則取初始時刻到第一次低于B_標準的波峰或波谷對應(yīng)的時刻所用的時長為平衡時長t_平衡；B_標準取為5％；如果系統(tǒng)中出現(xiàn)新的外界激勵，則以新激勵結(jié)束時為初始時刻，重新計時；

此處獲得一個關(guān)于平衡函數(shù)的隱函數(shù)t_平衡，隱函數(shù)t_平衡即為目標函數(shù)；

4)確定約束函數(shù)：

4.1)位置約束函數(shù)：

將串油孔中心坐標約束在隔板區(qū)域內(nèi)，不得越離邊界；假設(shè)隔板為長L、寬W的長方形，則約束寫為：

0≤x≤L,0≤y≤W (2)

其它形狀隔板依上式進行調(diào)整；

4.2)形狀約束函數(shù)：

使用圓形作為開孔形狀，開孔半徑r滿足：

r≥0 (3)

4.3)波動約束函數(shù)：

飛機油量測量需在液面小波動狀態(tài)下進行，使用波動函數(shù)表征燃油液面波動強度，并約束波動函數(shù)值不得超過許用標準值F_標準；具體解算方法如下：

4.3.1)燃油微粒運動分析：

利用SPH方法計算出T_平衡時刻各個燃油微粒運動及受力狀態(tài)；

4.3.2)構(gòu)建約束函數(shù)——波動函數(shù)：

選取T_平衡時刻燃油表面的所有微粒，其方法為選取所有壓強為零的微粒；設(shè)第e號隔艙的液面共有s_e個微粒，任取平衡無流動狀態(tài)下e號隔艙液面三個不共線的點，記為A_e、B_e、C_e，則T_平衡時刻燃油表面的微粒i_e相對于平衡無流動液面的距離d_ie為：

波動函數(shù)寫作：

4.3.3)對波動函數(shù)施加約束：

燃油液面波動約束為：

F_標為工程實際給出的燃油測量允許誤差，取為5％；

5)迭代優(yōu)化：

使用有限差分法分別求出目標函數(shù)與約束函數(shù)對各個變量的偏導數(shù)；將步驟3)、步驟4)中的目標函數(shù)值、約束函數(shù)值以及它們對各個變量的偏導數(shù)帶入優(yōu)化算法——移動漸近線法(MMA)中，迭代更新變量，直至目標函數(shù)t_平衡在滿足約束條件的情況下收斂為止；此時獲得小充液比工況下油箱隔板的串油孔布局；

6)中充液比油箱隔板設(shè)計：

定義50％充液比為中充液比工況；保持上述小充液比工況下得到的串油孔布局不變，重復(fù)利用步驟2)-步驟5)獲得中充液比工況下的串油孔布局；

7)大充液比油箱隔板設(shè)計：

定義70％充液比為大充液比工況；保持中充液比工況下得到的串油孔布局不變，重復(fù)利用步驟2)-步驟5)獲得大充液比工況下的串油孔布局；

8)適應(yīng)性處理：

按照生產(chǎn)工藝要求圓整串油孔布局，從而獲得串油孔最終布局。

為適應(yīng)不同設(shè)計需求，使用本方法時并不局限于上文所述的約束及優(yōu)化目標，設(shè)計者可以加入質(zhì)量評價、強度評價、剛度評價、疲勞壽命評價、沖擊載荷評價等等；本方法旨在提供基于光滑粒子流體動力學的設(shè)計思路，其它評價方法可通過有限元計算獲得。

本發(fā)明的有益效果為：

由于本方法基于光滑粒子流體動力學進行優(yōu)化，所以可以較好地模擬燃油液面波動甚至破碎現(xiàn)象，且運算量相對較小，這兩點優(yōu)于同類流體模擬軟件，對飛機實際工況的適應(yīng)性強；由于本方法針對提高燃油串油性及抑制燃油波動進行優(yōu)化，所以較之于傳統(tǒng)設(shè)計可以幫助傳感器在更短的時間內(nèi)獲得剩余油量數(shù)據(jù)，加快飛機反應(yīng)速度，提高飛行控制性能；從傳統(tǒng)設(shè)計角度來看，本方法可以進一步擴展，增加質(zhì)量、強度、剛度、疲勞壽命、沖擊載荷等設(shè)計目標或約束，這些擴展幫助本方法適應(yīng)傳統(tǒng)設(shè)計需求，兩者互為表里、相得益彰，尤其是針對質(zhì)量進行優(yōu)化，本方法可以強力剪除結(jié)構(gòu)冗余，對飛機設(shè)計而言意義非常.

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的三種充液比示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例中油箱隔板在初始未優(yōu)化狀態(tài)下的串油孔布局圖。

圖3為本發(fā)明實施例中各個時刻燃油粒子運動狀態(tài)示意圖及串油孔布局的優(yōu)化結(jié)果。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，實施例采用隔板均勻布置的長方體油箱。

基于光滑粒子流體動力學的飛機油箱串油特性優(yōu)化方法，包括以下步驟：

1)小充液比油箱隔板設(shè)計：

由于小充液比油箱的液面更易起晃，液面波幅更大，平復(fù)時間更長，所以本實施例首先以小充液比工況為優(yōu)先設(shè)計工況，定義30％充液比為小充液比工況，本實施例研究飛機從15度滾角恢復(fù)平飛狀態(tài)這一極限工況，初始油箱液面與油箱底板平面呈15度角；其充液狀態(tài)如圖1所示，油箱尺寸為0.3m×0.3m×0.6m，平均分為3個艙室；

2)確定設(shè)計變量：

本實施例中串油孔開孔形狀取為圓形，每個串油孔包含圓心坐標x、y以及半徑r共計3個變量，在隔板上均勻布置16個串油孔，如圖2所示，將其作為初始布局，此時共有48個變量，將這些變量有序地存儲到向量中；

3)確定目標函數(shù)——平衡時長t_平衡：

本實施例以串油性能最佳為優(yōu)化目標，將燃油質(zhì)心開始波動到波動強度衰減至5％所用的時長設(shè)定為衡量串油性能的指標，命名為平衡時長t_平衡，該平衡時長t_平衡即為關(guān)于設(shè)計變量的目標函數(shù)；

定義外界激勵結(jié)束時刻為初始時刻，在本實施例中初始時刻即為油箱剛剛恢復(fù)水平姿態(tài)所處時刻；從初始時刻開始計時，定義經(jīng)過平衡時長t_平衡后燃油的狀態(tài)為平衡狀態(tài)，此時為時刻T_平衡；本方法的目標旨在減少平衡時長t_平衡；

平衡時長t_平衡具體求解步驟如下：

3.1)利用SPH方法求解運動狀態(tài)：

利用SPH方法計算出任意時刻燃油所有微粒的運動狀態(tài)，包括任意時刻各個微粒的位置、速度、加速度、壓強、密度；

3.2)建立平衡函數(shù)并求出平衡時長t_平衡：

3.2.1)計算質(zhì)心位置：

小充液比工況下，本實施例共有5049個微粒參與流體模擬，依據(jù)步驟3.1)獲得的所有微粒的位置坐標計算出任意時刻這些微粒所共同構(gòu)建的燃油整體的質(zhì)心坐標

3.2.2)定義平衡無流動狀態(tài)：

定義一個對比流體，其粘度系數(shù)為燃油粘度的10倍，其它參數(shù)一致，利用SPH方法計算對比流體的微粒運動狀態(tài)；記錄初始時刻該對比流體所有微粒加速度大小之和，其后隨著時間的推進，當對比流體中所有微粒的加速度大小之和為初始時刻的1％時，定義流體此時的狀態(tài)為平衡無流動狀態(tài)；

3.2.3)構(gòu)建平衡函數(shù)：

本實施例中油箱共有3個隔艙，定義第e號隔艙t時刻燃油質(zhì)心為其平衡無流動狀態(tài)下質(zhì)心為定義平衡函數(shù)為t時刻所有隔艙流體質(zhì)心相對于平衡無流動狀態(tài)下質(zhì)心的波動強度：

上式中，為t時刻所有隔艙燃油質(zhì)心相對于平衡無流動狀態(tài)下質(zhì)心的平均波動幅值，V為燃油總體積；此時，平衡函數(shù)表征t時刻所有隔艙中燃油質(zhì)心的波動強度，為無量綱量；

3.2.4)計算平衡時長t_平衡：

記錄平衡函數(shù)隨時間變化產(chǎn)生的波峰及波谷，在不引入新外界激勵的條件下，如果連續(xù)波峰或波谷連續(xù)三次低于標準值5％，則取初始時刻到第一次低于5％的波峰或波谷對應(yīng)的時刻所用的時長為平衡時長t_平衡；如果系統(tǒng)中出現(xiàn)新的外界激勵，則以新激勵結(jié)束時為初始時刻，重新計時；

此處獲得一個關(guān)于平衡函數(shù)的隱函數(shù)t_平衡，隱函數(shù)t_平衡即為目標函數(shù)；

4)確定約束函數(shù)：

4.1)位置約束函數(shù)：

本實施例中隔板為長0.3m、寬0.3m的正方形，其約束寫為：

0≤x≤L,0≤y≤W (2)

其它形狀隔板依上式進行調(diào)整；

4.2)形狀約束函數(shù)：

使用圓形作為開孔形狀，開孔半徑r滿足：

r≥0 (3)

盡管本實施例隔板使用圓形開孔，但并不排斥其它形狀串油孔的設(shè)計，使用者只需通過更改變量實現(xiàn)；

4.3)波動約束函數(shù)：

飛機油量測量需在液面小波動狀態(tài)下進行，使用波動函數(shù)表征燃油液面波動強度，并約束波動函數(shù)值不得超過5％；具體解算方法如下：

4.3.1)燃油微粒運動分析：

利用SPH方法計算出T_平衡時刻各個燃油微粒運動及受力狀態(tài)；

4.3.2)構(gòu)建約束函數(shù)——波動函數(shù)：

選取T_平衡時刻燃油表面的所有微粒，其方法為選取所有壓強為零的微粒；設(shè)第e號隔艙的液面共有s_e個微粒，任取平衡無流動狀態(tài)下e號隔艙液面三個不共線的點，記為A_e、B_e、C_e，則T_平衡時刻燃油表面的微粒i_e相對于平衡無流動液面的距離d_ie為：

波動函數(shù)寫作：

4.3.3)對波動函數(shù)施加約束：

燃油液面波動約束為：

5)迭代優(yōu)化

使用有限差分法分別求出目標函數(shù)與約束函數(shù)對各個變量的偏導數(shù)；將步驟3)、步驟4)中的目標函數(shù)值、約束函數(shù)值以及它們對各個變量的偏導數(shù)帶入優(yōu)化算法——移動漸近線法(MMA)中，迭代更新變量，直至目標函數(shù)在滿足約束條件的情況下收斂或迭代次數(shù)達到200次為止；此時獲得小充液比工況下油箱隔板的串油孔布局；

6)中充液比油箱隔板設(shè)計：

定義50％充液比為中充液比工況；保持上述小充液比工況下得到的串油孔布局不變，重復(fù)利用步驟2)-步驟5)獲得中充液比工況下的串油孔布局；

7)大充液比油箱隔板設(shè)計：

定義70％充液比為大充液比工況；保持中充液比工況下得到的串油孔布局不變，重復(fù)利用步驟2-)步驟5)獲得大充液比工況下的串油孔布局；

8)適應(yīng)性處理：

適當按照生產(chǎn)工藝要求圓整串油孔布局，從而獲得的串油孔最終布局，如圖3所示。