[发明专利]基于双环迭代的无人直升机气动外形优化设计方法

说明书

本发明涉及一种基于双环迭代的无人直升机气动外形优化设计方法，步骤一、确定初值和约束；步骤二、几何文件生成模块；步骤三、网格生成模块；步骤四、气动分析模块；步骤五、优化器模块；步骤六、近似方法；步骤七、优化算法；步骤八、优化过程集成。本发明优点在于：多次迭代过程提高了计算结果的精度；采用了响应面模型来近似求解，在保证精确的基础上，大大提高了计算效率，不仅减少了多个变量的精细计算，更是将复杂的CFD计算简化为近似迭代计算，大大减少了外环CFD计算的次数；数次外环修正，将误差影响降到最低；适合于多目标优化问题求解，计算过程是比较简单的，并同求解问题的其它启发式算法有很好的兼容性。

技术领域

本发明涉及一种基于双环迭代的无人直升机气动外形优化设计方法，它可以快速、有效地优化无人直升机的气动外形，属于气动优化模块及无人直升机设计技术领域。

技术背景

在无人直升机设计过程中，往往首先只是根据概念性的原则进行设计，所以不能保证获得的外形是最佳的。为了获得气动阻力最小的设计方案，也就是确定最合理的外形尺寸，最有效的办法是对直升机的机身进行优化，即直升机气动外形优化设计。现有的直升机气动外形优化设计主要是基于参数化模型的优化设计，或者是使用CFD计算软件进行优化设计。

直升机的气动外形优化设计方法是通过CFD方法计算求得不同外形、不同飞行状态下的阻力系数，并施加气动和几何约束条件，通过数值方法在设计空间内搜索最优的设计结果。优化设计方法由于其目标函数选择的多样性，更加容易使设计人员获得其想要的设计结果，同时也很好的解决了反设计问题中设计人员经验不足的问题。目前气动外形优化方法正被广泛的应用于多目标、多设计点的复杂外形的设计问题，这些都表明了气动外形优化方法非常具有良好的发展前景和实际应用价值。

目前，无人直升机气动外形优化主要包括两大方面的内容：一是基于计算流体力学方法的气动力分析，通过将实际问题转化成计算问题，在对流场进行网格划分的基础上选择合适的求解方法进行气动力分析，从而建立起有设计变量到目标函数之间的关联。由于自然界流动现象的复杂性，通过CFD分析方法建立起来的关联函数往往具有非线性、不连续等特点，这也是气动外形优化问题相对于普通优化问题的难点之一，并且，CFD计算软件受计算机配置限制较大，并且计算较慢，浪费时间，在精确建模以及精细结果要求的条件下，此限制更为明显；二是通过数值优化方法在设计空间内对目标函数进行寻优，求解满足约束条件下使目标函数最优的一组设计变量值。针对设计空间非线性、不连续等特点，需要采用合理的优化算法对设计空间进行搜索。随着越来越精确的求解模型(基于NS方程的流场求解器)的使用，气动外形优化问题的计算量变得十分巨大。通过构建设计变量和目标函数之间的近似模型来代替原来的精确分析模型，可以使得计算量大大减小。而使用近似模型的参数化设计，由于建模、优化两步都需要进行近似处理，所以所得结果误差较大。目前众多学者都针对气动外形优化设计中的数值方法问题展开了深入的研究。在无人直升机设计领域中，该类研究成熟的设计还比较少。类似的气动外形设计，如直升机旋翼桨叶气动外形优化设计和压气机叶片气动外形优化设计，都是基于近似模型和某种算法的单环迭代，此种方法如前所述，误差较大，计算难以保证精度，难以满足直升机气动外形优化设计的需要。

发明内容

本发明针对传统的无人机机身气动外形优化设计方法进行改进，提出一种基于双环迭代的无人机机身气动外形优化设计方法。它是一种内环使用近似模型及算法进行计算迭代，外环使用CFD软件进行仿真迭代的优化方法。在外环之中嵌套内环，每次内环计算完毕后，对外环模型进行修正，提高了内环计算迭代最终结果的精度，而内环的基于近似模型的计算迭代又减少了CFD仿真迭代的次数，加快了计算速度，故可有效提升计算速度以及优化精度。

本发明的基本思路为：