高隐身高机动布局飞机的弹性机翼气动隐身优化设计方法与流程

1.本技术属于飞行器设计领域，特别涉及一种高隐身高机动布局飞机的弹性机翼气动隐身优化设计方法。


背景技术：

2.从目前的研究情况可发现，国内众多学者从气动算法、隐身算法、优化算法、代理模型、隐身材料等各个方面对飞行器气动隐身优化方法进行了深入的研究，而且也取得了相应的成果。但依旧存在一些不足，这些不足主要体现在：1、所采用的流场与电磁场的求解器精度不高；2、所采用的优化算法较难处理大规模设计变量的优化问题。主要原因是目前的气动隐身优化研究中主要采用无梯度的优化算法，如遗传算法、粒子群算法等。这类算法的优点是不需要求解目标函数对自变量的梯度，理论上能够收敛到全局最优解，而且容易实现多学科的多目标优化。但往往计算量较大，需要较多的迭代步数才能收敛到最优值。即使采用代理模型提高优化效率，而代理模型的预测精度受设计变量的数量及样本点的规模影响。尤其当设计变量数量较大时，构建代理模型所需的样本点数量可达上千，即需要进行上千次的流场计算及电磁场计算。如果采用精度较高的气动求解器和隐身求解器，计算量与计算机时相当可观。受限于计算机硬件资源，目前研究中气动求解器主要采用的求解速度较快但精度较低的面元法、求解速势方程，而隐身求解器主要以物理光学法为主。虽然也有学者采用雷诺平均n-s方程和矩量法来进行气动隐身优，但也只局限于二维翼型的优化，无法应用到三维情况。
3.因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。


技术实现要素：

4.本技术的目的是提供了一种高隐身高机动布局飞机的弹性机翼气动隐身优化设计方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。
5.本技术的技术方案是：
6.一种高隐身高机动布局飞机的弹性机翼气动隐身优化设计方法，包括：
7.步骤一、确定优化目标函数，具体包括：
8.确定气动特性的优化目标为机翼弹性变形后的固定升力系数的阻力系数最小；
9.确定电磁特性的优化目标为-40
°
～40
°
角域范围内雷达散射面积rcs均值最小；
10.将阻力系数取以10为底的对数后与雷达散射面积rcs均值进行分配权重叠加，得到优化目标函数；
11.步骤二、确定约束条件；
12.步骤三、采用ffd外形参数化方法确定弹性机翼外形的设计变量，并且给出设计变量的可行性区间；
13.步骤四、构建气动计算模型，计算得到弹性机翼固定升力系数下的阻力系数，并将阻力系数取以10为底的对数；
14.构建电磁计算模型，计算得到-40
°
～40
°
角域范围内雷达散射面积rcs值；
15.步骤五、根据基于伴随方程的梯度快速求解方法确定设计变量的优化方向，并调整设计变量，返回步骤三迭代，直至满足收敛条件，得到根据最终的设计变量，并根据最终的设计变量确定优化后的弹性机翼外形。
16.在本技术的至少一个实施例中，步骤二中，所述约束条件包括：对应亚声速巡航和超声速巡航状态下的升力系数、机翼的纵向不安定度以及不同弦向占位的翼型厚度约束。
17.在本技术的至少一个实施例中，步骤三中，所述设计变量包括翼型前缘半径、翼型弯度、翼型后缘夹角。
18.在本技术的至少一个实施例中，步骤四中，采用四边形结构表面网格构建电磁计算模型。
19.在本技术的至少一个实施例中，步骤四中，采用多块结构化网格和结构有限元方法构建气动计算网格模型以及结构线性求解模型，通过cfd/csd分析迭代求解得到弹性机翼固定升力系数下的阻力系数。
20.在本技术的至少一个实施例中，步骤五中，所述收敛条件为相邻两次迭代得到的设计变量值变化小于10-6
，且优化目标函数值变化小于10-6
。
21.发明至少存在以下有益技术效果：
22.本技术的高隐身高机动布局飞机的弹性机翼气动隐身优化设计方法，能够提升高隐身高机动飞机的翼型气动和隐身的综合性能，基于梯度的弹性机翼气动隐身求解方法可以解决传统优化算法优化时间长的问题。
附图说明
23.图1是本技术一个实施方式的阻力系数变化历程；
24.图2是本技术一个实施方式的rcs均值变化历程；
25.图3是本技术一个实施方式的弹性机翼优化前后构型对比示意图；
26.图4是本技术一个实施方式的优化前不同方位角的rcs值示意图；
27.图5是本技术一个实施方式的优化后不同方位角的rcs值示意图。
具体实施方式
28.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。下面结合附图对本技术的实施例进行详细说明。
29.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护
范围的限制。
30.下面结合附图1至图5对本技术做进一步详细说明。
31.本技术提供了一种高隐身高机动布局飞机的弹性机翼气动隐身优化设计方法，包括以下步骤：
32.步骤一、确定优化目标函数，具体包括：
33.确定气动特性的优化目标为机翼弹性变形后的固定升力系数的阻力系数最小；
34.确定电磁特性的优化目标为-40
°
～40
°
角域范围内雷达散射面积rcs均值最小；
35.将阻力系数取以10为底的对数后与雷达散射面积rcs均值进行分配权重叠加，得到优化目标函数；
36.步骤二、确定约束条件；
37.在本技术的优选实施例中，步骤二中，约束条件包括：对应亚声速巡航和超声速巡航状态下的升力系数、机翼的纵向不安定度以及不同弦向占位的翼型厚度约束。
38.步骤三、采用ffd(自由变形)外形参数化方法确定弹性机翼外形的设计变量，并且给出设计变量的可行性区间；
39.本实施例中，步骤三中，设计变量包括翼型前缘半径、翼型弯度、翼型后缘夹角。
40.步骤四、构建气动计算模型，计算得到弹性机翼固定升力系数下的阻力系数，并将阻力系数取以10为底的对数；
41.构建电磁计算模型，计算得到-40
°
～40
°
角域范围内雷达散射面积rcs值；
42.本实施例中，步骤四中，采用四边形结构表面网格构建电磁计算模型。采用多块结构化(六面体结构化)网格和结构有限元方法构建气动计算网格模型以及结构线性求解模型，通过cfd/csd分析迭代求解得到弹性机翼固定升力系数下的阻力系数。
43.步骤五、根据基于伴随方程的梯度快速求解方法确定设计变量的优化方向，并调整设计变量，返回步骤三迭代，直至满足收敛条件，得到根据最终的设计变量，并根据最终的设计变量确定优化后的弹性机翼外形。
44.本实施例中，步骤五中，收敛条件为相邻两次迭代得到的设计变量值变化小于10-6
，且优化目标函数值变化小于10-6
，优化目标函数值能够表征弹性机翼的隐身和气动的综合特性。
45.本技术的高隐身高机动布局飞机的弹性机翼气动隐身优化设计方法，优化算例中，为了考查弹性机翼的巡航气动特性，约束了气动/结构耦合求解后的升力系数不变，对于参数化后的控制剖面翼型加入几何约束，将翼型厚度作为约束加入优化设计中。俯仰力矩约束的作用就是限制飞行器的低头力矩。算例优化过程中，阻力系数cd、rcs均值的迭代变化历程如图1至2所示。从图3所示的翼型变化情况可看出，相对于初始构型，优化后阻力系数下降11counts，rcs均值下降4.5db。优化后的机翼前缘半径减小，变为尖前缘。
46.本技术的高隐身高机动布局飞机的弹性机翼气动隐身优化设计方法，采用基于伴随方程的优化算法进行高隐身高机动飞机的弹性机翼气动隐身优化设计，整个优化过程包括确定目标函数、约束条件、设计变量以及进行优化计算。对于飞机弹性机翼设计，要综合权衡总体布置空间、气动特性和隐身特性，为了对以上三方面进行综合考虑，提出了确定弹性影响后的气动特性和电磁特性作为优化目标，将总体布置作为几何约束的优化策略。本技术能够有效地解决高隐身高机动飞机机翼翼型的总体、气动和隐身高度耦合设计问题，
通过对弹性影响后的气动特性和电磁特性进行数学处理，解决了不同学科间目标函数不对等的问题。
47.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。