一种太阳能无人机分段式机翼形变仿真方法与流程

本发明涉及太阳能无人机机翼形变仿真，具体地公开了一种太阳能无人机分段式机翼形变仿真方法。

背景技术：

1、太阳能无人机通常采用大展弦比分段式机翼，机翼表面铺设太阳能电池组件以吸收太阳辐射，为无人机飞行提供动力支持。此类机翼多由内段平直翼与具有上反角的外段翼组成，在飞行载荷作用下会产生弯曲、转动等弹性形变，该形变将改变机翼表面相对太阳辐射方向的姿态角，进而影响太阳能电池组件的辐射吸收功率。因此，在太阳能无人机总体设计及能源管理阶段，需要针对不同飞行工况快速、准确地获取机翼的形变状态。目前获取机翼形变状态主要依赖有限元仿真方法，即通过建立机翼的有限元梁模型或壳模型、进行网格划分并求解结构力学方程，得到机翼在给定载荷下的形变结果。然而，该类有限元仿真方法计算耗时较长，单次求解通常需要秒级至分钟级的时间，在太阳能无人机初步设计阶段往往需要针对大量不同的飞行工况分别进行仿真分析，现有有限元方法难以满足此类大批量工况下快速筛选与形变评估的工程需求，导致设计迭代周期长、效率低。因此，如何提供一种计算效率高、能够快速获取分段式机翼在不同飞行工况下形变状态的仿真方法，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种太阳能无人机分段式机翼形变仿真方法，以解决现有有限元仿真方法计算耗时长、难以满足太阳能无人机初步设计阶段大量飞行工况快速筛选与形变评估需求的技术问题。

2、本发明提供了一种太阳能无人机分段式机翼形变仿真方法，所述太阳能无人机包括机身及机翼，所述机翼包括内段平直翼与外段翼，所述外段翼相对水平方向具有上反角，所述外段翼与所述内段平直翼在连接点处相连接，所述方法包括：

3、以所述机翼与机身的连接点为坐标原点，沿所述内段平直翼的展向为第一坐标轴，沿垂直方向为第二坐标轴，建立机翼局部坐标系；

4、获取所述内段平直翼的展长、所述外段翼的展长以及所述外段翼相对水平方向的上反角角度作为结构几何参数；

5、获取特定飞行工况下所述外段翼翼尖处的垂直偏移量作为载荷参数；

6、将所述内段平直翼受载后的弯曲形变曲线表征为顶点位于所述坐标原点、且随所述第一坐标轴坐标值的平方而变化的抛物线，并将所述外段翼受载后相对所述内段平直翼绕所述连接点发生的刚体转动表征为旋转角度；

7、根据所述内段平直翼与所述外段翼在所述连接点处的位移及转角保持连续的形变协调条件，建立所述抛物线的二次项系数与所述旋转角度之间的对应关系；

8、以所述旋转角度为唯一未知量，根据所述内段平直翼末端因弯曲产生的垂直位移与所述外段翼因刚体转动产生的垂直位移之和应等于所述载荷参数这一约束条件，构建位移平衡关系式，并求取所述位移平衡关系式相对于所述旋转角度的一阶导数，作为牛顿迭代法所需的迭代步长计算依据；

9、采用牛顿迭代法，基于所述位移平衡关系式及其相对于所述旋转角度的一阶导数，迭代求解使所述位移平衡关系式成立的所述旋转角度；

10、将求解得到的所述旋转角度代入所述二次项系数与所述旋转角度之间的对应关系，得到所述内段平直翼的弯曲形变曲线的二次项系数；

11、根据求解得到的所述旋转角度及所述二次项系数，确定所述机翼在所述特定飞行工况下的形变状态，并输出所述形变状态以用于确定所述机翼表面姿态角的变化。

12、一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的太阳能无人机分段式机翼形变仿真方法。

13、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的太阳能无人机分段式机翼形变仿真方法。

14、本发明的有益技术效果是：通过将分段式机翼简化为内段平直翼弯曲形变与外段翼绕连接点刚体转动的组合模型，并基于连接点处位移与转角连续的形变协调条件建立二次项系数与旋转角度的对应关系，将求解过程转化为以旋转角度为唯一未知量的位移平衡关系式求根问题，进而采用牛顿迭代法快速求解，避免了传统有限元仿真所需的网格划分与大规模方程组求解过程，从而能够在不同飞行工况下快速获取机翼的形变状态，提高了机翼形变仿真的计算效率。

1.一种太阳能无人机分段式机翼形变仿真方法，所述太阳能无人机包括机身及机翼，所述机翼包括内段平直翼与外段翼，所述外段翼相对水平方向具有上反角，所述外段翼与所述内段平直翼在连接点处相连接，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的太阳能无人机分段式机翼形变仿真方法，其特征在于，所述内段平直翼的展长与外段翼的展长的比值不小于2，所述外段翼相对水平方向的上反角角度大于0度且不大于10度。

3.根据权利要求1所述的太阳能无人机分段式机翼形变仿真方法，其特征在于，采用牛顿迭代法迭代求解所述旋转角度的步骤包括：设定所述旋转角度的初始值为零；根据当前迭代次数对应的所述旋转角度、所述位移平衡关系式的取值及其相对于所述旋转角度的一阶导数的取值，计算下一迭代次数对应的所述旋转角度；重复上述计算，直至相邻两次迭代所得所述旋转角度的更新量小于预设的收敛阈值。

4.根据权利要求3所述的太阳能无人机分段式机翼形变仿真方法，其特征在于，所述收敛阈值为0.001度。

5.根据权利要求3所述的太阳能无人机分段式机翼形变仿真方法，其特征在于，所述内段平直翼的展长为10米，所述外段翼的展长为5米，所述外段翼相对水平方向的上反角角度为5度。

6.根据权利要求1所述的太阳能无人机分段式机翼形变仿真方法，其特征在于，所述特定飞行工况包括翼尖垂直偏移量不同的至少两种飞行工况，所述方法针对每一种所述飞行工况分别求解对应的所述旋转角度及所述二次项系数，以得到不同飞行工况下所述机翼的形变状态。

7.根据权利要求1所述的太阳能无人机分段式机翼形变仿真方法，其特征在于，所述内段平直翼在未受载（未形变）时沿所述第一坐标轴分布。

8.根据权利要求1所述的太阳能无人机分段式机翼形变仿真方法，其特征在于，所述内段平直翼的表面与所述外段翼的表面铺设有太阳能电池组件。

9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8中任一项所述的太阳能无人机分段式机翼形变仿真方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的太阳能无人机分段式机翼形变仿真方法。