[发明专利]基于光滑粒子流体动力学的飞机油箱串油特性优化方法

摘要

基于光滑粒子流体动力学的飞机油箱串油特性优化方法，以改变油箱隔板串油孔位置、大小、形状为手段，从而实现抑制燃油波动，提升串油性能的目标；本方法依次进行小充液比、中充液比、大充液比油箱隔板设计，且在设计过程中保留前代设计结果，最后做适应性处理，获得串油孔最终布局，本发明使用光滑粒子流体动力学知识模拟液体流动，可以较好地模拟液体自由液面的破碎行为，同时降低运算量，为迭代优化的实现创造可能。

主权项

基于光滑粒子流体动力学的飞机油箱串油特性优化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)小充液比油箱隔板设计：随着油箱充液比逐渐减小，燃油液面晃动幅度与平复时间将逐渐变大，以受影响最大的小充液比工况为优先设计工况，定义工程设计中常用的30％充液比为小充液比工况；2)确定设计变量取圆形作为串油孔开孔形状，每个串油孔包含圆心坐标x、y以及半径r共计3个变量，在隔板上均匀布置n个串油孔，将其作为初始布局，此时共有3n个变量，将这些变量有序地存储到向量中；3)确定目标函数——平衡时长t平衡：以串油性能最佳为优化目标，将燃油质心开始波动到波动强度衰减至可接受值B标准所用的时长设定为衡量串油性能的指标，命名为平衡时长t平衡，平衡时长t平衡即为关于设计变量的目标函数；定义外界激励结束时刻为初始时刻，从初始时刻开始计时，定义经过平衡时长t平衡后燃油的状态为平衡状态，此时为时刻T平衡；平衡时长t平衡具体求解步骤如下：3.1)利用SPH方法求解运动状态：利用SPH方法计算出任意时刻燃油所有微粒的运动状态，包括任意时刻各个微粒的位置、速度、加速度、压强、密度；3.2)建立平衡函数并求出平衡时长t平衡：3.2.1)计算质心位置：依据步骤3.1)获得的所有微粒的位置坐标(i＝1,2…sum)计算出任意时刻这些微粒所共同构建的燃油整体的质心坐标3.2.2)定义平衡无流动状态：定义一个对比流体，其粘度系数为燃油粘度的10倍，其它参数一致，利用SPH方法计算对比流体的微粒运动状态；记录初始时刻该对比流体所有微粒加速度大小之和，其后随着时间的推进，当对比流体中所有微粒的加速度大小之和为初始时刻的1％时，定义流体此时的状态为平衡无流动状态；3.2.3)构建平衡函数：设定油箱共有l个隔舱，定义第e号隔舱t时刻燃油质心为其平衡无流动状态下质心为定义平衡函数为t时刻所有隔舱流体质心相对于平衡无流动状态下质心的波动强度：上式中，为t时刻所有隔舱燃油质心相对于平衡无流动状态下质心的平均波动幅值，V为燃油总体积；此时，平衡函数表征t时刻所有隔舱中燃油质心的波动强度，为无量纲量；3.2.4)计算平衡时长t平衡：记录平衡函数随时间变化产生的波峰及波谷，在不引入新外界激励的条件下，如果连续波峰或波谷连续三次低于标准值B标准，则取初始时刻到第一次低于B标准的波峰或波谷对应的时刻所用的时长为平衡时长t平衡；B标准取为5％；如果系统中出现新的外界激励，则以新激励结束时为初始时刻，重新计时；此处获得一个关于平衡函数的隐函数t平衡，隐函数t平衡即为目标函数；4)确定约束函数：4.1)位置约束函数：将串油孔中心坐标约束在隔板区域内，不得越离边界；假设隔板为长L、宽W的长方形，则约束写为：0≤x≤L,0≤y≤W  (2)其它形状隔板依上式进行调整；4.2)形状约束函数：使用圆形作为开孔形状，开孔半径r满足：r≥0  (3)4.3)波动约束函数：飞机油量测量需在液面小波动状态下进行，使用波动函数表征燃油液面波动强度，并约束波动函数值不得超过许用标准值F标准；具体解算方法如下：4.3.1)燃油微粒运动分析：利用SPH方法计算出T平衡时刻各个燃油微粒运动及受力状态；4.3.2)构建约束函数——波动函数：选取T平衡时刻燃油表面的所有微粒，其方法为选取所有压强为零的微粒；设第e号隔舱的液面共有se个微粒，任取平衡无流动状态下e号隔舱液面三个不共线的点，记为Ae、Be、Ce，则T平衡时刻燃油表面的微粒ie相对于平衡无流动液面的距离die为：波动函数写作：F(S→)=1lΣe=1l(1seΣie=1sedie)V13---(5)]]>4.3.3)对波动函数施加约束：燃油液面波动约束为：F标为工程实际给出的燃油测量允许误差，取为5％；5)迭代优化：使用有限差分法分别求出目标函数与约束函数对各个变量的偏导数；将步骤3)、步骤4)中的目标函数值、约束函数值以及它们对各个变量的偏导数带入优化算法——移动渐近线法(MMA)中，迭代更新变量，直至目标函数t平衡在满足约束条件的情况下收敛为止；此时获得小充液比工况下油箱隔板的串油孔布局；6)中充液比油箱隔板设计：定义50％充液比为中充液比工况；保持上述小充液比工况下得到的串油孔布局不变，重复利用步骤2)‑步骤5)获得中充液比工况下的串油孔布局；7)大充液比油箱隔板设计：定义70％充液比为大充液比工况；保持中充液比工况下得到的串油孔布局不变，重复利用步骤2)‑步骤5)获得大充液比工况下的串油孔布局；8)适应性处理：按照生产工艺要求圆整串油孔布局，从而获得串油孔最终布局。