[发明专利]一种非圆截面飞行器前体的设计方法及系统

说明书

本发明公开一种非圆截面飞行器前体的设计方法及系统，该方法包括：采用类/形状函数变换方法对前体横截面形状进行参数化表达，得到各个前体横截面具有形状控制量的形状；采用幂次曲线的生成准则得到前体横截面具有尺寸控制量的几何约束，并基于几何约束得到前体横截面的设计尺寸；基于形状模型中前体横截面的基础尺寸与前体横截面的设计尺寸得到每个前体横截面的比例因子，得到每个前体横截面的实际尺寸；基于每个前体横截面的实际尺寸通过三维建模软件二次开发自动放样得到三维前体曲面，将三维前体生成网格后进行循环仿真，调节形状控制量和/或尺寸控制量直至仿真优化目标达到最优。只需要给定飞行器前体构型的几何尺寸与设计来流条件，就能够得到该条件下最优的构型。

技术领域

本发明涉及技术领域，具体是一种非圆截面飞行器前体的设计方法及系统。

背景技术

高超音速武器具有许多优点，例如飞行速度快，射程远和打击效率高，是专为对抗THAAD等飞行器防御系统而设计的。高超音速武器有两种主要类型：高音速巡航飞行器和高音速滑行飞行器。高超音速巡航飞行器在地球大气层内工作，高音速滑翔飞行器将在飞行时间内离开并重新进入地球大气层。因此，设计具有最佳空气动力学性能的最优飞行器至关重要。

自第二次世界大战期间德国首先使用飞行器袭击伦敦以来，这些年来，飞行器已进入许多国家的武器库。具有圆形截面主体的飞行器由于其结构简单和易于制造而被广泛使用，甚至包括最新的服役构型，例如俄罗斯的Kh-47M2，中国的CJ-100，美国的LGM-30G民兵三。为了提高圆形截面飞行器的空气动力学性能，全世界的研究人员进行了大量的理论和实验研究。这些研究发现，就性能而言，最好的高超音速前体配置是冯·卡曼(基于Haack系列)和3/4幂次曲线。

但是在某些复杂的场景中，圆形截面飞行器的空气动力学性能不能满足机动性或巡航要求。因此提出了非圆形截面形状的概念，并将其应用于飞行器的设计。非圆形飞行器的空气动力学特性在很大程度上取决于其形状。已经进行了一些与飞行器形状有关的数值和实验工作，以比较方形，菱形和椭圆形截面形状之间的空气动力和力矩。Priola提出了一个称为形状因子α的参数。α量化飞行器前体的横截面形状。在α＝0时，形状是圆形，在α＝1时，形状是尖角。但是现有的非圆截面飞行器的前体为方形，菱形和三角形截面，具有加工较难，气动性能较差，防热困难等问题。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种非圆截面飞行器前体的设计方法及系统，只需要给定飞行器前体构型的几何尺寸与设计来流条件，就能够得到该条件下最优的构型，而且在设计过程中能灵活改变前体各个截面的形状，能大大丰富前体设计空间样本的种类。

为实现上述目的，本发明提供一种非圆截面飞行器前体的设计方法，包括如下步骤：

步骤1，采用类/形状函数变换方法对前体横截面形状进行参数化表达，得到各个前体横截面的形状模型，其中，所述形状模型中具有至少一个能够控制前体横截面改变的形状控制量；

步骤2，采用幂次曲线的生成准则得到前体横截面具有至少一个尺寸控制量的几何约束，并基于几何约束得到前体横截面的设计尺寸；

步骤3，基于形状模型中前体横截面的基础尺寸与前体横截面的设计尺寸得到每个前体横截面的比例因子，并基于每个前体横截面的形状模型、比例因子与设计尺寸得到每个前体横截面的实际尺寸；

步骤4.基于每个前体横截面的实际尺寸通过三维建模软件二次开发自动放样得到三维前体曲面，将三维前体生成网格后进行循环仿真，调节至少一个形状控制量和/或至少一个尺寸控制量直至仿真优化目标达到最优。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤1中，所述形状控制量的数量为两个。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤1中，采用类/形状函数变换方法对前体横截面形状进行参数化表达，得到各个前体横截面的形状模型，具体为：