原創 Graychen 仿真秀 昨天
作者 | Graychen 仿真秀科普作者
一、工程背景
無人機在進行完概念設計之後，大致確定了外形的基本參數。此時為了進一步提高無人機的飛行性能，常常需要對氣動佈局的外形參數進行優化設計。
二、算例介紹
以某翼身融合的無人機的初始氣動外形為基礎，利用ISIGHT軟件對外形的主要控制參數進行優化設計，以提高無人機在迎角為0度時、速度為20m/s巡航狀態下的升阻比。翼型為飛翼佈局無人機常用的反彎S5010翼型。該翼身融合的無人機的主要外形參數如下圖。
三、優化目標
為了了提高巡航狀態下的升阻比，同時為了防止優化過程中出現的全機面積過大或者過小，添加如下的約束條件：
約束關係式中的
為0.4㎡， 為0.5㎡，無人機的翼展b為主要由主要的性能參數確定，不設為優化目標，此處設翼展b=1.8。半機身的寬度bf受到機載設備的限制也不設為優化目標參數，此處設bf=0.095。
四、無人機參數化模型
無人機在品外外形優化前，受先要將無人機的平面外形進行參數化，翼身融合的無人機主要由機身、機翼兩部分組成，如上圖所示，主要包括：
- 機身前緣後掠角：Γ1；
- 機身後緣後掠角：Γ2；
- 機翼前緣後掠角：Γ3；
- 機翼後緣後掠角：Γ4；
- 機身長度：Lf；
- 機翼展長：b;
- 機身半寬度：bf；
其他的平面參數，如升力面面積S、展弦比AR、平均氣動弦長Cmac、翼根弦長Lwr、翼尖弦長Lwt等參數可根據上述參數計算得到。
選取無人機的部分平面外形參數作為設計變量，其他平面外形參數可以根據設計變量計算得到，設計變量的基準值和取值範圍如下表：
五、平面外形優化流程
採用 Isight軟件完成無人機平面外行優化設計，其流程如下圖所示。通過將無人機初始平面參數輸入到SHAPE模塊進行計算得到無人機平面外形參數，並生成用於AVL軟件計算的數據文件，然後通過 AVL模塊計算無人機在巡航迎角和速度時的升力係數和阻力系數，最後由計算優化函數模塊Calculator計算並輸出目標參數。在優化過程中，計算得到的無人機升阻比只供對比分析，因此我們選擇計算速度比較快的AVL軟件來計算升阻比。
Shape模塊主要是計算無人機的外形參數，採用Isight自帶的matlab模塊。
AVL軟件是是MIT的Mark Drela教授開發的一個氣動分析程序。AVL利用渦格法對給定的外形作氣動分析，採用關鍵字描述幾何外形，計算出數據並繪製圖形，而且數據和圖形都能夠輸出。這在計算後利用其結果十分方便。這裡採用simcode進行集成。
六、優化設計結果與分析
根據上述的無人機平面外形優化設計流程進行迭代計算，得到結果如下所示：
優化之後的平面外形與優化之前的平面外形對比：
全機升阻比的對比：
算例
CL
CD
L/D
優化前
0.2637
0.0335
7.87
優化後
0.3128
0.0341
9.178
七、寫在文後
這個算例只是優化了機身長度和機身機翼的前後緣後掠角5個參數，優化目標也只有升阻比一個參數，目的是通過這個算例演示一下無人機氣動外形優化的一般性流程，因此並不能直接應用於工程實際。
受限於筆者的水平和操作習慣，定有許多錯誤之處，歡迎各位批評指正。
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