巡飛武器氣動/結(jié)構(gòu)/隱身一體化設(shè)計及多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計

胡　勁， 劉　濤， 張　鵬， 歐　軍， 魏樹孝， 高　輝， 吳　波， 閆君丹

(中航工業(yè)洪都， 南昌　330024)

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巡飛武器氣動/結(jié)構(gòu)/隱身一體化設(shè)計及多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計

胡勁， 劉濤， 張鵬， 歐軍， 魏樹孝， 高輝， 吳波， 閆君丹

(中航工業(yè)洪都， 南昌330024)

巡飛武器不僅需要滿足續(xù)航時間的要求， 還應(yīng)盡量降低其RCS值以提高戰(zhàn)場生存能力， 同時還要滿足結(jié)構(gòu)尺寸、 質(zhì)量及結(jié)構(gòu)特性的要求。 本文對巡飛武器氣動/結(jié)構(gòu)/隱身一體化設(shè)計及多學(xué)科優(yōu)化問題進(jìn)行了研究， 建立了氣動/結(jié)構(gòu)/隱身一體化優(yōu)化模型和分析流程， 優(yōu)化了巡飛武器總體參數(shù)， 改良了巡飛武器的總體性能。

巡飛武器； 氣動/結(jié)構(gòu)/隱身； 一體化設(shè)計； 多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化

0　引　　言

優(yōu)化設(shè)計的首要任務(wù)是對優(yōu)化問題進(jìn)行科學(xué)合理的描述， 欲清楚地描述巡飛武器氣動/結(jié)構(gòu)/隱身一體化優(yōu)化問題， 應(yīng)對巡飛武器的使用特點(diǎn)有一個清晰的認(rèn)識， 在此基礎(chǔ)上尋找巡飛武器的關(guān)鍵性能指標(biāo)， 圍繞這些指標(biāo)建立巡飛武器的優(yōu)化問題模型。

由于巡飛武器的飛行任務(wù)主要集中在對目標(biāo)區(qū)域的巡邏搜索階段， 該階段的續(xù)航時間對巡飛武器的任務(wù)效能起著決定性的作用， 且巡邏搜索階段對目標(biāo)進(jìn)行搜索或監(jiān)視時容易遭受敵方防空火力的攻擊。 因此， 縮減巡飛武器的雷達(dá)散射截面對于提高巡飛武器的戰(zhàn)場生存能力有重要意義。 同時， 受發(fā)射條件和飛行使用的約束， 還需考慮對巡飛武器質(zhì)量、 外形尺寸的約束， 以及運(yùn)輸、飛行性能對結(jié)構(gòu)特性的要求。

1　優(yōu)化設(shè)計問題描述

選取巡飛武器巡邏搜索階段的續(xù)航時間Tcruise和周向RCS平均值作為評價巡飛武器性能的指標(biāo)， Tcruise表征了巡飛武器執(zhí)行偵察打擊任務(wù)的持續(xù)作戰(zhàn)能力， 周向RCS平均值表征了巡飛武器的戰(zhàn)場生存能力。

采用活塞發(fā)動機(jī)的巡飛武器續(xù)航時間為

(1)

式中： ηp為螺旋槳效率； K為巡飛武器升阻比； Ce為發(fā)動機(jī)耗油率； Vloi為巡飛武器巡邏飛行速度。

巡飛武器初始質(zhì)量：

m0=mf+ms+mother

(2)

其中： mf為燃料質(zhì)量； ms為巡飛武器結(jié)構(gòu)質(zhì)量； mother為除去燃料和結(jié)構(gòu)的其他質(zhì)量。

則式(2)可變?yōu)?/p>

(3)

通過升阻比K和ms將氣動學(xué)科和結(jié)構(gòu)學(xué)科統(tǒng)一到巡飛武器續(xù)航時間這一指標(biāo)中。 優(yōu)化問題的具體模型如圖1所示。

圖1巡飛武器氣動/結(jié)構(gòu)/隱身一體化優(yōu)化模型

圖中， X1為巡飛彈幾何外形參數(shù)， 作為系統(tǒng)級設(shè)計變量； X2為巡飛彈結(jié)構(gòu)部件尺寸參數(shù)， 作為結(jié)構(gòu)學(xué)科二級優(yōu)化設(shè)計變量。

整個優(yōu)化過程包含兩級優(yōu)化： 一個是系統(tǒng)級優(yōu)化， 設(shè)計變量為巡飛武器幾何外形參數(shù)， 目標(biāo)函數(shù)為巡飛武器續(xù)航時間和周向RCS均值， 約束為彈體長度不大于給定值， 具體模型如式(4)所示:

s.t.Length≤3 500mm

X∈[Xmin, Xmax]

(4)

式中： Length為巡飛武器彈體長度； X為設(shè)計變量。

第二級優(yōu)化包含在結(jié)構(gòu)模塊中， 是針對巡飛武器結(jié)構(gòu)質(zhì)量的優(yōu)化， 設(shè)計變量為巡飛武器結(jié)構(gòu)部件尺寸參數(shù)， 主要是彈身隔板、 梁、 蒙皮， 彈翼翼梁、 翼肋、 蒙皮厚度等， 目標(biāo)函數(shù)為結(jié)構(gòu)質(zhì)量， 約束為最大應(yīng)力小于給定值， 具體模型如式(5)所示:

(5)

本文所選取的優(yōu)化設(shè)計點(diǎn)處于巡飛武器巡邏飛行過程中， 巡飛武器所受的載荷并非其最大載荷， 為保證巡飛武器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足整個飛行過程(尤其是末端機(jī)動時過載最大)的要求， 使其最大許用應(yīng)力σ*處于一個較低的應(yīng)力水平。

為減小阻力， 巡飛武器在巡邏飛行過程中攻角變化不大， 一般在0°～4°之間， 保持在一個小的攻角范圍內(nèi)飛行可以使巡飛武器擁有較為穩(wěn)定的氣動特性和操縱特性。 且光電載荷對地面觀測(成像)的姿態(tài)也需要巡飛武器在巡飛過程中保持一個較小的攻角變化。 本文以2°攻角的升阻比作為巡飛過程中的平均升阻比， 優(yōu)化設(shè)計點(diǎn)的攻角α=2°。

2　巡飛武器參數(shù)化建模

2.1翼型參數(shù)化模型

采用CST方法對翼型進(jìn)行參數(shù)化表示，CST參數(shù)化方法是近年來出現(xiàn)的一種比較優(yōu)秀的參數(shù)化方法， 具有設(shè)計變量少、可調(diào)節(jié)、設(shè)計空間廣等優(yōu)點(diǎn)， 被廣泛用于翼型設(shè)計中。

翼型采用CST方法參數(shù)化的表達(dá)式如下：

(6)

圖2NACA6412的5階CST擬合效果

采用5階伯恩斯坦多項式。

2.2彈身參數(shù)化模型

2.2.1彈身截面形狀

設(shè)計過程中將巡飛武器彈身截面形狀以xz平面分為上下兩條曲線， 如圖3所示， 分別進(jìn)行參數(shù)化。

圖3彈身截面形狀示意圖

參數(shù)化方法采用前文論述的CST方法， 形狀函數(shù)采用6階伯恩斯坦多項式加權(quán)形式：

(7)

對于對稱構(gòu)型的曲線， 式(7)中存在以下關(guān)系：

因此描述一條對稱曲線的CST公式變?yōu)?/p>

ζ(u)=C(N,u)·S(u)=uN(1-u)N·

(8)

描述彈身截面的公式為

(9)

式中： Nu,Nd為類函數(shù)中的N； ui,di為形狀函數(shù)中的伯恩斯坦系數(shù)。

加權(quán)伯恩斯坦多項式：

(10)

只需要N, b0, b1, b24個參數(shù)就可以描述一條對稱曲線。 所以用Nu, Nd, ui, di(i=0, 1, 2)8個參數(shù)就可以完全描述彈身截面形狀。

2.2.2彈身側(cè)向輪廓

為充分利用約束空間， 彈身寬度定為約束最大尺寸， 頭部為一小段圓弧與彈身側(cè)面直線用連接線相切連接形成的曲線， 尾部為一小段斜線與彈身側(cè)面直線用連接線相切連接形成的曲線， 形成的彈身側(cè)向輪廓如圖4所示。

圖4彈身側(cè)向輪廓示意圖

彈體長度為各艙段長度之和。 燃料艙長度為

(11)

式中： mf為燃油質(zhì)量； ρf=720kg/m3為燃油密度； Sbody為彈身截面積； ks為彈身截面利用效率。

3　多學(xué)科建模分析

3.1氣動特性分析流程

氣動特性分析模型的工作流程如圖5所示， 分析模型的輸入為巡飛武器幾何外形的參數(shù)， 輸出為巡飛武器的升、 阻力系數(shù)和表面載荷文件用于有限元分析。

圖5氣動特性分析流程

3.2結(jié)構(gòu)分析流程

結(jié)構(gòu)分析工具采用MSC.PATRAN&NASTRAN， 流程見圖6， 輸入為巡飛武器幾何外形參數(shù)， 輸出為巡飛武器最小質(zhì)量。 在分析過程中采用軟件本身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能， 對巡飛武器結(jié)構(gòu)部件的尺寸進(jìn)行優(yōu)化。 分析過程中的載荷來自于氣動特性分析模塊， 采用三角形面積加權(quán)方法將由氣動計算得到的氣動網(wǎng)格上的節(jié)點(diǎn)力轉(zhuǎn)化到結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上。

3.3RCS分析流程

隱身特性分析流程見圖7。 本文基于第2節(jié)建立的參數(shù)化幾何外形， 利用CATIA軟件AdvancedMeshingTools模塊生成用于RCS計算的表面網(wǎng)格， 利用物理光學(xué)法程序計算巡飛武器的RCS值。

圖6　巡飛武器結(jié)構(gòu)有限元分析流程圖

圖7隱身特性分析流程圖

3.4氣動/結(jié)構(gòu)/隱身一體化分析流程

將上述三個學(xué)科的分析模型綜合在一起形成如圖8所示的氣動/結(jié)構(gòu)/隱身一體化分析模型。

圖8氣動/結(jié)構(gòu)/隱身一體化分析流程

4　多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計

4.1代理模型結(jié)果

本文利用Isight軟件搭建一體化優(yōu)化模型， 首先利用響應(yīng)面方法建立了彈身長度、 阻力系數(shù)和升力系數(shù)的代理模型， 利用Kriging方法建立了周向RCS均值和全彈質(zhì)量的代理模型， 最終搭建起來的氣動/結(jié)構(gòu)/隱身一體化優(yōu)化模型如圖9所示。 采用Isight內(nèi)置的NSGA-II優(yōu)化算法， 種群規(guī)模為52， 迭代次數(shù)為500， 交叉概率為0.9。 迭代500步后得到的種群分布情況如圖10所示。

圖9　巡飛彈氣動/結(jié)構(gòu)/隱身一體化優(yōu)化模型

圖10迭代500步后的種群分布情況

巡飛武器氣動/結(jié)構(gòu)/隱身一體化多目標(biāo)優(yōu)化的Pareto前沿如圖11所示。 本文從中選取了兩種方案， 方案一表征續(xù)航時間最優(yōu)狀態(tài)， 方案二表征隱身特性最優(yōu)狀態(tài)。 在優(yōu)化前沿曲線上， 越靠近右端對應(yīng)設(shè)計方案的續(xù)航時間越好而隱身特性越差， 即周向RCS均值越大。

圖11巡飛武器氣動/結(jié)構(gòu)/隱身一體化優(yōu)化Pareto前沿

4.2優(yōu)化結(jié)果分析

4.2.1氣動特性對比

方案一較方案二有更高的升組比， 由氣動外形差異引起。 首先， 方案一的彈翼是平直翼， 在低速情況下?lián)碛斜惹奥右砀玫臍鈩犹匦浴?其次， 方案一翼展更大， 擁有較大的翼面積， 見圖12。

4.2.2續(xù)航時間對比

兩種方案在巡飛過程中的攻角變化曲線見圖13。 方案一的攻角比方案二小， 巡飛阻力小， 經(jīng)過仿真分析， 方案一的續(xù)航時間約為8.65h， 方案二的續(xù)航時間約為7.31h， 因此方案一在續(xù)航性能上較優(yōu)。

圖12　兩種方案的升阻比曲線

圖13巡飛過程中的攻角變化曲線

4.2.3RCS對比

兩種方案在直角坐標(biāo)系下的RCS分布圖如圖14所示。 由于方案一和方案二幾何外形相似， 因此兩種方案的RCS分布曲線的趨勢是相像的， 而兩種方案RCS分布情況所展現(xiàn)的差異主要源于彈翼形狀和彈身形狀的差別。 在135°和225°兩個位置都存在尖峰(負(fù)值)， 是因為彈身是周向最大反射源； 在90°和270°附近， 方案二RCS值比方案一小， 經(jīng)過分析， 方案一RCS均值為0.71m2， 方案二RCS均值為0.44m2， 方案二優(yōu)于方案一。

圖14兩種方案的RCS分布(直角坐標(biāo))

4.2.4結(jié)果

通過對兩個設(shè)計方案在幾何外形、 氣動特性、 結(jié)構(gòu)校核、 續(xù)航時間、 隱身特性方面的對比分析， 可以發(fā)現(xiàn)方案一較方案二在氣動特性方面有著較大的優(yōu)勢， 這也直接導(dǎo)致其續(xù)航時間大于方案二， 但是在隱身特性方面方案二要優(yōu)于方案一， 對于追求巡飛武器長時間滯空能力的設(shè)計時應(yīng)傾向于方案一。

5　結(jié)　　論

本文對巡飛武器氣動/結(jié)構(gòu)/隱身一體化設(shè)計及多學(xué)科優(yōu)化問題進(jìn)行了研究， 介紹了一體化設(shè)計與優(yōu)化問題的描述思路， 以及武器參數(shù)化模型建立方法， 建立了氣動/結(jié)構(gòu)/隱身一體化優(yōu)化模型和分析流程。 通過優(yōu)化對比其中兩個方案， 證明通過多學(xué)科優(yōu)化改進(jìn)了巡飛武器的總體性能， 滿足實(shí)際作戰(zhàn)性能要求。

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[2] 王志剛， 嚴(yán)輝， 陳士櫓. 軌跡/飛行器總體參數(shù)的一體化優(yōu)化方法研究[J]. 飛行力學(xué)， 1997(2): 19-26.

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Aerodynamics/Structure/Invisibility Integrative Design and Multidisciplinary Design Optimization of Loitering Weapon

Hu Jin, Liu Tao, Zhang Peng, Ou Jun, Wei Shuxiao, Gao Hui, Wu Bo, Yan Jundan

(AVIC Hongdu Aviation Industry Group, Nanchang 330024, China)

The loitering weapon not only needs to meet the requirements of life time, but also needs to reduce its RCS value in order to improve the survival ability of battlefield. Meanwhile, the requirements of structure size, quality and structure characteristics should be met. The integrated design of aerodynamics/structure/invisibility on loitering weapon and multidisciplinary optimization problems are studied, and the integrated optimization model and analysis process of aerodynamic/structure/invisibility are established. The overall parameters of loitering weapon are optimized, and its overall performance is improved.

loitering weapon; aerodynamics/structure/invisibility; integrative design; multidisciplinary design optimization

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.03.002

2015-09-09

胡勁(1985-)， 男， 新疆石河子人， 工程師， 研究方向為無人飛行器總體設(shè)計。

V221

A

1673-5048(2016)03-0009-05