原创 Graychen 仿真秀 昨天

作者 | Graychen 仿真秀科普作者

一、工程背景

无人机在进行完概念设计之后，大致确定了外形的基本参数。此时为了进一步提高无人机的飞行性能，常常需要对气动布局的外形参数进行优化设计。

二、算例介绍

以某翼身融合的无人机的初始气动外形为基础，利用ISIGHT软件对外形的主要控制参数进行优化设计，以提高无人机在迎角为0度时、速度为20m/s巡航状态下的升阻比。翼型为飞翼布局无人机常用的反弯S5010翼型。该翼身融合的无人机的主要外形参数如下图。

三、优化目标

为了了提高巡航状态下的升阻比，同时为了防止优化过程中出现的全机面积过大或者过小，添加如下的约束条件：

约束关系式中的

为0.4㎡， 为0.5㎡，无人机的翼展b为主要由主要的性能参数确定，不设为优化目标，此处设翼展b=1.8。半机身的宽度bf受到机载设备的限制也不设为优化目标参数，此处设bf=0.095。

四、无人机参数化模型

无人机在品外外形优化前，受先要将无人机的平面外形进行参数化，翼身融合的无人机主要由机身、机翼两部分组成，如上图所示，主要包括：

机身前缘后掠角：Γ1；机身后缘后掠角：Γ2；机翼前缘后掠角：Γ3；机翼后缘后掠角：Γ4；机身长度：Lf；机翼展长：b;机身半宽度：bf；

其他的平面参数，如升力面面积S、展弦比AR、平均气动弦长Cmac、翼根弦长Lwr、翼尖弦长Lwt等参数可根据上述参数计算得到。

选取无人机的部分平面外形参数作为设计变量，其他平面外形参数可以根据设计变量计算得到，设计变量的基准值和取值范围如下表：

五、平面外形优化流程

采用 Isight软件完成无人机平面外行优化设计，其流程如下图所示。通过将无人机初始平面参数输入到SHAPE模块进行计算得到无人机平面外形参数，并生成用于AVL软件计算的数据文件，然后通过 AVL模块计算无人机在巡航迎角和速度时的升力系数和阻力系数，最后由计算优化函数模块Calculator计算并输出目标参数。在优化过程中，计算得到的无人机升阻比只供对比分析，因此我们选择计算速度比较快的AVL软件来计算升阻比。

Shape模块主要是计算无人机的外形参数，采用Isight自带的matlab模块。

AVL软件是是MIT的Mark Drela教授开发的一个气动分析程序。AVL利用涡格法对给定的外形作气动分析，采用关键字描述几何外形，计算出数据并绘制图形，而且数据和图形都能够输出。这在计算后利用其结果十分方便。这里采用simcode进行集成。

六、优化设计结果与分析

根据上述的无人机平面外形优化设计流程进行迭代计算，得到结果如下所示：

优化之后的平面外形与优化之前的平面外形对比：

全机升阻比的对比：

算例

CL

CD

L/D

优化前

0.2637

0.0335

7.87

优化后

0.3128

0.0341

9.178

七、写在文后

这个算例只是优化了机身长度和机身机翼的前后缘后掠角5个参数，优化目标也只有升阻比一个参数，目的是通过这个算例演示一下无人机气动外形优化的一般性流程，因此并不能直接应用于工程实际。

受限于笔者的水平和操作习惯，定有许多错误之处，欢迎各位批评指正。

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