基于CATIA二次開發(fā)的無人直升機(jī)油箱優(yōu)化方法

米 雪，王澤玉

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

直升機(jī)燃油質(zhì)量特性是指直升機(jī)所載燃油在不同飛行姿態(tài)下的油量、重心、慣性矩、慣性積等特征，對直升機(jī)燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性判定及飛機(jī)在飛行過程中改善飛行品質(zhì)、保證飛行安全具有重要意義。直升機(jī)燃油箱外形設(shè)計(jì)的好壞，將直接影響直升機(jī)燃油質(zhì)量特性，對全機(jī)重心評估及控制具有重要影響。

現(xiàn)代中小型無人直升機(jī)通常將油箱布置在旋翼下方，并采用整體式結(jié)構(gòu)油箱。其內(nèi)部安裝有形狀各異的管道、泵、閥等部件，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。設(shè)計(jì)者在進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)燃油箱設(shè)計(jì)時(shí)，不會(huì)考慮油箱結(jié)構(gòu)對重心波動(dòng)影響的情況。這是由于采用傳統(tǒng)手動(dòng)分割油箱方法計(jì)算燃油重心的計(jì)算效率極低，難以滿足對整個(gè)油箱的質(zhì)量特性分析的需求，無法為油箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

本文采用CATIA二次開發(fā)技術(shù)，提出了一種基于瞬態(tài)工況的燃油重心計(jì)算方法，可對無人直升機(jī)各個(gè)飛行工況下的燃油重心進(jìn)行計(jì)算，并設(shè)計(jì)多種油箱方案，對比不同油箱方案在瞬態(tài)工況下的重心變化情況，得出最優(yōu)的油箱設(shè)計(jì)方案，對油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供優(yōu)化方向。

1 動(dòng)態(tài)燃油體建模

1.1 燃油體定義

油箱實(shí)體是指油箱內(nèi)部包絡(luò)形成的整個(gè)空間；燃油體是指液體燃油在燃油箱內(nèi)所形成的形狀，即燃油平面和油箱側(cè)面、油箱底面之間形成的幾何體空間，如圖1所示。本文以燃油體作為重心分析對象，根據(jù)實(shí)際使用的燃油類型，指定不同的燃油密度，通過CATIA自帶的分析模塊來獲取燃油的重量重心特性。為了方便計(jì)算，本文選取機(jī)體坐標(biāo)系作為參考坐標(biāo)系，如圖2所示，以直升機(jī)旋翼軸底端作為坐標(biāo)原點(diǎn)，軸平行于直升機(jī)縱軸指向機(jī)尾，軸平行于直升機(jī)橫軸指向右方，軸平行于直升機(jī)豎軸指向機(jī)身上方。

圖1 燃油體定義

圖2 機(jī)體坐標(biāo)系

1.2 瞬態(tài)燃油平面計(jì)算

油面法向量是處理燃油體及計(jì)算燃油體質(zhì)量特性的重要依據(jù)，由無人直升機(jī)飛行姿態(tài)和飛行過載共同確定。本文依據(jù)文獻(xiàn)[5]中提供的方法，計(jì)算油面法向量：

=cos-sin

(1)

=(sin+cos)sin+cos

(2)

=(sin+cos)cos-sin

(3)

式中：(,,)為機(jī)體坐標(biāo)下的油面法向量；(,,)為地面坐標(biāo)系下的過載系數(shù)矢量；為直升機(jī)的俯仰角；為直升機(jī)的滾轉(zhuǎn)角。

在油箱形狀一定、油面法向量已知的情況下，燃油平面僅與油箱內(nèi)剩余燃油量有關(guān)。燃油平面的平面方程為：

++=

(4)

=++

(5)

使用燃油平面(即切割平面)切割油箱實(shí)體，即可獲得燃油體(如圖1)。

1.3 無人直升機(jī)飛行工況設(shè)計(jì)

飛行剖面是指為完成某一特定飛行任務(wù)而繪制的飛行航跡圖，對于無人直升機(jī)而言，通常包括：垂直爬升、懸停、平飛、下滑等。本文依據(jù)某型無人直升機(jī)飛行的典型任務(wù)剖面(如圖3所示)，選取11個(gè)典型工況點(diǎn)的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到該型機(jī)在不同工況點(diǎn)時(shí)三個(gè)方向的過載系數(shù)、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和剩余燃油量(見圖4)，數(shù)值如表1所示。

圖3 某飛行剖面圖

圖4 選取部分工況點(diǎn)

表1 飛行工況點(diǎn)下的飛行參數(shù)

2 基于CATIA二次開發(fā)的瞬態(tài)工況燃油重心計(jì)算方法

為獲取瞬態(tài)工況下燃油體的重量重心數(shù)據(jù)，本文通過CATIA V5 Automation API 二次開發(fā)接口，使用 Visual Basic 語言，依據(jù)飛行工況數(shù)據(jù)，對燃油體數(shù)模進(jìn)行分割和燃油質(zhì)量特性計(jì)算。首先基于油箱創(chuàng)建Measurable對象，通過讀取飛行狀態(tài)確定油面法向量，結(jié)合余油量對油箱實(shí)體進(jìn)行分割；最后基于分割后的燃油體創(chuàng)建Inertia對象，從而得到燃油體的重量及重心。具體流程圖5所示。

圖5 燃油重心計(jì)算流程圖

2.1 初始條件設(shè)定

首先按照表1中11個(gè)工況點(diǎn)，計(jì)算燃油平面法向量(,,)，如表2所示；使用Visual Basic讀取表格中的燃油平面法向量，作為計(jì)算的初始條件。燃油平面初始高度設(shè)置為油箱頂面以上的一個(gè)高度，以確保最優(yōu)值不被忽略。

表2 飛行工況點(diǎn)對應(yīng)燃油平面參數(shù)

2.2 燃油實(shí)體分割

要獲得某工況的燃油體，除確定油面法向量(,,)外，還需要根據(jù)該工況的剩余燃油量確定油面高度。本文采用定步長方法，以油箱頂部某一高度作為初始位置，從滿油狀態(tài)開始定步長切割燃油體，直至剩余燃油體質(zhì)量小于等于目標(biāo)工況質(zhì)量，則結(jié)束循環(huán)。切割后的燃油實(shí)體，即為當(dāng)前工況下的機(jī)上燃油形態(tài)。

針對同一油箱實(shí)體，分別采用10 mm、5 mm和2 mm的步長進(jìn)行計(jì)算，得到計(jì)算燃油質(zhì)量、誤差和計(jì)算次數(shù)如圖6和表3所示。

圖6 不同計(jì)算步長時(shí)各工況點(diǎn)的燃油質(zhì)量及誤差

表3 步長計(jì)算誤差及次數(shù)

由圖6和表3可以看出，計(jì)算步長為5 mm和2 mm時(shí)，燃油質(zhì)量曲線基本與目標(biāo)值一致，最大誤差分別為1.66%和0.96%，均在2%以內(nèi)，且2 mm計(jì)算步長時(shí)的計(jì)算次數(shù)為5 mm時(shí)的2.43倍。為保證計(jì)算精度同時(shí)節(jié)省計(jì)算時(shí)間，最終選用5 mm作為燃油質(zhì)量計(jì)算步長。

2.3 燃油重量重心獲取

通過CATIA VBA中的GetTechnologicalObject功能和GetCOGPosition，分別讀取燃油體的重量、重心數(shù)據(jù)，并保存記錄。關(guān)鍵代碼如圖7所示。

圖7 獲取燃油體對應(yīng)重量重心的關(guān)鍵代碼

通過上述步驟，即可獲得無人直升機(jī)瞬態(tài)工況下的重心變化情況。本文設(shè)計(jì)軟件界面如圖8所示。本文以此作為油箱形狀優(yōu)化的依據(jù)。

圖8 重心計(jì)算軟件界面

3 油箱優(yōu)化分析

3.1 規(guī)則油箱計(jì)算分析

無人直升機(jī)燃油箱通常布置在旋翼下方，直升機(jī)全機(jī)重心位置附近。燃油箱在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量保持無人直升機(jī)重心穩(wěn)定。本文選取圖9(a)-(d)所示的4種界面連續(xù)變化的油箱形狀作為分析對象：(a)油箱為規(guī)則的長方體形；(b)油箱沿方向前后窄、中間寬；(c)油箱沿方向上窄下寬；(d)油箱沿方向上寬下窄。設(shè)定4種油箱高度一致，體積相同，且油箱滿油狀態(tài)時(shí)相同，均為0，依此展開油箱重心分析。

圖9 油箱方案設(shè)計(jì)

依據(jù)1.3節(jié)中的11個(gè)瞬態(tài)工況點(diǎn)，本文對圖7中四種油箱、方向重心進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)果如圖10所示。其中圖10(a)為方向重心變化情況；圖10(b)為方向重心變化情況。

圖10 四種油箱重心變化情況

由圖10可以看出，第8個(gè)工況點(diǎn)時(shí)，方向重心偏移最大，為1.3 mm；第10個(gè)工況點(diǎn)時(shí)，方向重心偏移最大，為8.3 mm。當(dāng)油箱內(nèi)燃油量占總量的90%～80%以及30%以下時(shí)，重心變化情況受油箱形狀影響較大；而燃油量處于90%以上以及80%～30%之間時(shí)，重心變化情況受油箱形狀影響較小，主要受飛行過載及飛行姿態(tài)的影響。以上規(guī)律僅適用于界面連續(xù)變化的單個(gè)油箱，當(dāng)截面存在突變或多個(gè)子油箱時(shí)，應(yīng)另行討論。油箱(d)因其上寬下窄的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在前幾個(gè)工況點(diǎn)，燃油量較多時(shí)，變動(dòng)明顯較大，而當(dāng)燃油量消耗到30%以下時(shí)，該油箱重心變化范圍相對縮小。

為更直觀地體現(xiàn)不同燃油箱燃油重心的變動(dòng)情況，本文對四個(gè)油箱的燃油重心標(biāo)準(zhǔn)差、進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(6)

同理。式中，為狀態(tài)點(diǎn)數(shù)，為油箱滿油時(shí)的重心初始位置。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同油箱的重心位置標(biāo)準(zhǔn)差

由表4可以看出，在本文中設(shè)定的11個(gè)工況點(diǎn)條件下，油箱(d)的重心在方向和方向變化均為最小，即為最優(yōu)方案。而在實(shí)際使用過程中，依據(jù)無人直升機(jī)的性能特點(diǎn)、典型工況，選取足夠數(shù)量的工況點(diǎn)樣本，使用本文中描述的優(yōu)化方法，即可找到最優(yōu)的燃油箱形狀設(shè)計(jì)方案。另一方面，對于已完成設(shè)計(jì)的燃油箱，也可以使用本文中的方法分析油箱質(zhì)量特性及重心變化范圍，從而評估整機(jī)重心。

3.2 實(shí)際油箱計(jì)算及分析

依據(jù)本文所述方法，對某兩型無人直升機(jī)燃油箱進(jìn)行計(jì)算分析，油箱形狀如圖11所示。燃油箱A形狀較為簡單，單側(cè)油箱近似為長方體，且關(guān)于軸對稱；燃油箱B為馬鞍形，且內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。得到方向重心計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

圖11 某兩型無人直升機(jī)燃油箱對比

圖12 某兩型無人直升機(jī)重心變化情況對比

可以看出，兩個(gè)油箱重心特性差異明顯：在相同工況下，油箱A重心變化范圍為33 mm；油箱B重心變化范圍為76 mm。從飛行穩(wěn)定性的角度而言，油箱A明顯優(yōu)于油箱B。油箱B頂端空腔占比較大，下端空間較小，在滿油狀態(tài)下，重心穩(wěn)定性相對較好；燃油量低于30 kg后，重心受飛行姿態(tài)影響尤其明顯。在油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)盡量保持75%以下燃油量的重心穩(wěn)定性；75%以上空間使用率相對較低，這部分可根據(jù)機(jī)體結(jié)構(gòu)需要設(shè)計(jì)為異形結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

本文基于CATIA二次開發(fā)技術(shù)，提出了一種根據(jù)過載、飛行姿態(tài)和余油量自動(dòng)計(jì)算瞬態(tài)燃油重心的方法；

本文驗(yàn)證了不同油箱切割步長的計(jì)算精度，證明以5 mm作為定步長切割，既可以保證計(jì)算精度，又能節(jié)省計(jì)算時(shí)間；

依據(jù)本文的瞬態(tài)工況燃油重心計(jì)算方法，得出相同工況下四個(gè)理論油箱和兩個(gè)實(shí)際油箱的重心變動(dòng)情況，并加以分析給出優(yōu)化建議；

本文提出的優(yōu)化方法不僅可以在設(shè)計(jì)階段提供優(yōu)化方向，也可用于已知油箱的質(zhì)量特性計(jì)算、油量傳感器標(biāo)定及全機(jī)重心評估。