一种高速飞行器概念设计阶段结构质量特性快速计算方法与流程

本发明提供了一种高速飞行器概念设计阶段结构质量特性快速计算方法，属于飞行器设计领域。

背景技术：

1、高超声速飞行器是指飞行速度超过5ma的飞行器，既可大大减少人员与货物跨洲运输时间，又可作为高超声速武器快速打击远距离目标，是航空航天领域当下和未来的研究热点。高超声速飞行器几何、气动、结构质量等专业之间相互紧耦合，存在复杂的非线性关系，传统航空航天飞行器的线性设计方法很难满足设计要求，因此，飞行器多学科优化设计方法被提出，在高超声速飞行器概念设计阶段就尽可能综合考虑飞行器几何、气动、结构质量等诸多专业的整体性能。

2、高速飞行器的结构质量特性是飞行器起飞总质量的重要组成部分，高速飞行器结构质量特性计算依赖于几何布局，需要在几何布局设计之初就加以考虑。

3、当前计算高速飞行器结构质量特性时，首先要确定基准几何布局，然后结构质量估算采用部件法，分别根据经验公式，输入机身、机翼、尾翼等几何外形参数来计算飞行器机身、机翼、尾翼结构质量，从而获得高速飞行器结构质量特性。但在飞行器设计过程中，飞行器结构材料密度、结构厚度等参数会对飞行器结构质量特性产生影响，当前的飞行器结构质量特性计算方法并不能反映飞行器结构质量特性与结构材料密度与结构厚度之间的关系，将对飞行器优化设计带来不利影响。

技术实现思路

1、本发明技术解决的问题是：克服现有技术的不足，提供一种高速飞行器概念设计阶段结构质量特性快速计算方法，可以定量分析结构材料密度、厚度等参数对飞行器结构质量的影响，同时可以减少高速飞行器概念设计阶段多学科优化设计时间成本，提高计算效率。

2、本发明的技术解决方案是：

3、一种高速飞行器概念设计阶段结构质量特性快速计算方法，包括：

4、明确高速飞行器结构基本构成，所述高速飞行器包括机身、机翼、尾翼，其中机身包括隔热层、蒙皮、隔框、桁梁；机翼和尾翼均包括隔热层、蒙皮、翼肋、翼梁；

5、给定高速飞行器几何外形；

6、生成高速飞行器表面网格；

7、导入网格并识别出机身、机翼、尾翼网格；

8、分别计算机身、机翼、尾翼各个构件质量、质心、转动惯量；

9、分别计算机身、机翼、尾翼质量、质心、转动惯量；

10、计算高速飞行器结构总质量、质心、转动惯量。

11、优选的，生成的高速飞行器表面网格为四边形结构网格，且该表面网格能够用于飞行器气动性能计算。

12、优选的，导入网格是指导入飞行器表面网格所有网格点。

13、优选的，识别出机身、机翼、尾翼网格的方法如下：

14、飞行器参考点设为头部顶点，x轴在飞行器纵向对称面内，指向尾部，y轴与飞行器纵向对称面垂直，指向右侧，z轴满足右手定则，指向上方；

15、机翼展向尺寸最大，机翼块网格点y坐标平均值最大，尾翼靠近机身尾部，尾翼块网格点x坐标平均值最大；通过对比各网格块网格点坐标平均值即可识别出机身、机翼、尾翼网格。

16、优选的，机身构件包括机身隔热层、机身蒙皮、机身隔框、机身桁梁；

17、机身隔热层质量由构成机身表面的网格单元面积之和与机身隔热层厚度、机身隔热层材料密度乘积得到；机身隔热层质心由机身隔热层网格单元质量与网格单元中心点坐标乘积之和除以机身隔热层质量得到；；机身隔热层转动惯量是所有机身隔热层网格单元相对于机身隔热层质心转轴的转动惯量之和，任一机身隔热层网格单元相对于机身隔热层质心转轴的转动惯量由机身隔热层网格单元中心点与机身隔热层质心对应转轴的垂直距离平方乘以机身隔热层网格单元质量得到；

18、机身蒙皮质量由构成机身表面的网格单元面积之和与机身蒙皮厚度、机身蒙皮材料密度乘积得到；机身蒙皮质心由机身蒙皮网格单元质量与网格单元中心点坐标乘积之和除以机身蒙皮质量得到；机身蒙皮转动惯量是所有机身蒙皮网格单元相对于机身蒙皮质心转轴的转动惯量之和，任一机身蒙皮网格单元相对于机身蒙皮质心转轴的转动惯量由机身蒙皮网格单元中心点与机身蒙皮质心对应转轴的垂直距离平方乘以机身蒙皮网格单元质量得到；

19、机身隔框质量由机身隔框网格单元长度之和与机身隔框横截面积、机身隔框材料密度乘积得到；机身隔框质心由机身隔框网格单元质量与机身隔框长度单元中心点坐标乘积之和除以机身隔框质量得到；机身隔框转动惯量是所有机身隔框网格单元相对于机身隔框质心转轴的转动惯量之和，任一机身隔框网格单元相对于机身隔框质心转轴的转动惯量由机身隔框网格单元中心点与机身隔框质心对应转轴的垂直距离平方乘以机身隔框网格单元质量得到；

20、机身桁梁质量由机身桁梁网格单元长度之和与机身桁梁横截面积、机身桁梁材料密度乘积得到；机身桁梁质心由机身桁梁网格单元质量与机身桁梁长度单元中心点坐标乘积之和除以机身桁梁质量得到；机身桁梁转动惯量是所有机身桁梁网格单元相对于机身桁梁质心转轴的转动惯量之和，任一机身桁梁网格单元相对于机身桁梁质心转轴的转动惯量由机身桁梁网格单元中心点与机身桁梁质心对应转轴的垂直距离平方乘以机身桁梁网格单元质量得到。

21、优选的，机翼构件包括机翼隔热层、机翼蒙皮、机翼翼肋、机翼翼梁；

22、机翼隔热层质量由构成机翼表面的网格单元面积之和与机翼隔热层厚度、机翼隔热层材料密度乘积得到；机翼隔热层质心由机翼隔热层网格单元质量与网格单元中心点坐标乘积之和除以机翼隔热层质量得到；机翼隔热层转动惯量是所有机翼隔热层网格单元相对于机翼隔热层质心转轴的转动惯量之和，任一机翼隔热层网格单元相对于机翼隔热层质心转轴的转动惯量由机翼隔热层网格单元中心点与机翼隔热层质心对应转轴的垂直距离平方乘以机翼隔热层网格单元质量得到；

23、机翼蒙皮质量由构成机翼表面的网格单元面积之和与机翼蒙皮厚度、机翼蒙皮材料密度乘积得到；机翼蒙皮质心由机翼蒙皮网格单元质量与网格单元中心点坐标乘积之和除以机翼蒙皮质量得到；机翼蒙皮转动惯量是所有机翼蒙皮网格单元相对于机翼蒙皮质心转轴的转动惯量之和，任一机翼蒙皮网格单元相对于机翼蒙皮质心转轴的转动惯量由机翼蒙皮网格单元中心点与机翼蒙皮质心对应转轴的垂直距离平方乘以机翼蒙皮网格单元质量得到；

24、机翼翼肋质量由机翼翼肋网格单元面积之和与机翼翼肋厚度、机翼翼肋材料密度乘积得到；机翼翼肋质心由机翼翼肋网格单元质量与机翼翼肋网格单元中心点坐标乘积之和除以机翼翼肋质量得到；机翼翼肋转动惯量是所有机翼翼肋网格单元相对于机翼翼肋质心转轴的转动惯量之和，任一机翼翼肋网格单元相对于机翼翼肋质心转轴的转动惯量由机翼翼肋网格单元中心点与机翼翼肋质心对应转轴的垂直距离平方乘以机翼翼肋网格单元质量得到；

25、机翼翼梁质量由机翼翼梁网格单元长度之和与机翼翼梁横截面积、机翼翼梁材料密度乘积得到；机翼翼梁质心由机翼翼梁网格单元质量与机翼翼梁网格单元中心点坐标乘积之和除以机翼翼梁总质量得到；机翼翼梁转动惯量是所有机翼翼梁网格单元相对于机翼翼梁质心转轴的转动惯量之和，任一机翼翼梁网格单元相对于机翼翼梁质心转轴的转动惯量由机翼翼梁网格单元中心点与机翼翼梁质心对应转轴的垂直距离平方乘以机翼翼梁网格单元质量得到。

26、优选的，尾翼构件包括尾翼隔热层、尾翼蒙皮、尾翼翼肋、尾翼翼梁；

27、尾翼隔热层质量由构成尾翼表面的网格单元面积之和与尾翼隔热层厚度、尾翼隔热层材料密度乘积得到；尾翼隔热层质心由尾翼隔热层网格单元质量与网格单元中心点坐标乘积之和除以尾翼隔热层质量得到；尾翼隔热层转动惯量是所有尾翼隔热层网格单元相对于尾翼隔热层质心转轴的转动惯量之和，任一尾翼隔热层网格单元相对于尾翼隔热层质心转轴的转动惯量由尾翼隔热层网格单元中心点与尾翼隔热层质心对应转轴的垂直距离平方乘以尾翼隔热层网格单元质量得到；

28、尾翼蒙皮质量由构成尾翼表面的网格单元面积之和与尾翼蒙皮厚度、尾翼蒙皮材料密度乘积得到；尾翼蒙皮质心由尾翼蒙皮网格单元质量与网格单元中心点坐标乘积之和除以尾翼蒙皮质量得到；尾翼蒙皮转动惯量是所有尾翼蒙皮网格单元相对于尾翼蒙皮质心转轴的转动惯量之和，任一尾翼蒙皮网格单元相对于尾翼蒙皮质心转轴的转动惯量由尾翼蒙皮网格单元中心点与尾翼蒙皮质心对应转轴的垂直距离平方乘以尾翼蒙皮网格单元质量得到；

29、尾翼翼肋质量由尾翼翼肋网格单元面积之和与尾翼翼肋厚度、尾翼翼肋材料密度乘积得到；尾翼翼肋质心由尾翼翼肋网格单元质量与尾翼翼肋网格单元中心点坐标乘积之和除以尾翼翼肋总质量得到；尾翼翼肋转动惯量是所有尾翼翼肋网格单元相对于尾翼翼肋质心转轴的转动惯量之和，任一尾翼翼肋网格单元相对于尾翼翼肋质心转轴的转动惯量由尾翼翼肋网格单元中心点与尾翼翼肋质心对应转轴的垂直距离平方乘以尾翼翼肋网格单元质量得到；

30、尾翼翼梁质量由尾翼翼梁网格单元长度之和与尾翼翼梁横截面积、尾翼翼梁材料密度乘积得到；尾翼翼梁质心由尾翼翼梁网格单元质量与尾翼翼梁网格单元中心点坐标乘积之和除以尾翼翼梁质量得到；尾翼翼梁转动惯量是所有尾翼翼梁网格单元相对于尾翼翼梁质心转轴的转动惯量之和，任一尾翼翼梁网格单元相对于尾翼翼梁质心转轴的转动惯量由尾翼翼梁网格单元中心点与尾翼翼梁质心对应转轴的垂直距离平方乘以尾翼翼梁网格单元质量得到。

31、优选的，机身质量为机身隔热层、机身蒙皮、机身隔框、机身桁梁质量之和；机身质心为机身隔热层、机身蒙皮、机身隔框、机身桁梁质量与其各自质心乘积之和除以机身质量；机身转动惯量为机身隔热层、机身蒙皮、机身隔框、机身桁梁质量与其各自质心与机身质心坐标轴垂直距离的平方的乘积之和，此处机身质心坐标轴为机身转动惯量转轴。

32、优选的，机翼质量为机翼隔热层、机翼蒙皮、机翼翼肋、机翼翼梁质量之和；机翼质心为机翼隔热层、机翼蒙皮、机翼翼肋、机翼翼梁质量与其各自质心乘积之和除以机翼质量；机翼转动惯量为机翼隔热层、机翼蒙皮、机翼翼肋、机翼翼梁质量与其各自质心与机翼质心坐标轴垂直距离的平方的乘积之和，此处机翼质心坐标轴为机翼转动惯量转轴。

33、优选的，尾翼质量为尾翼隔热层、尾翼蒙皮、尾翼翼肋、尾翼翼梁质量之和；尾翼质心为尾翼隔热层、尾翼蒙皮、尾翼翼肋、尾翼翼梁质量与其各自质心乘积之和除以尾翼质量；尾翼转动惯量为尾翼隔热层、尾翼蒙皮、尾翼翼肋、尾翼翼梁质量与其各自质心与尾翼质心坐标轴垂直距离的平方的乘积之和，此处尾翼质心坐标轴为尾翼转动惯量转轴。

34、优选的，高速飞行器结构总质量为机身、机翼、尾翼之和；高速飞行器结构质心为机身、机翼、尾翼质量与其各自质心乘积之和除以飞行器结构总质量；高速飞行器结构转动惯量为机身、机翼、尾翼质量与其各自质心与飞行器结构质心坐标轴垂直距离的平方的乘积之和，此处飞行器结构质心坐标轴为飞行器结构转动惯量转轴。

35、本发明有益技术效果如下：

36、(1)利用本发明方法进行高速飞行器概念设计时，可以将飞行器蒙皮、隔热层等结构密度、厚度等参数作为设计变量，计算得到与结构密度、厚度参数相关的飞行器结构质量特性，更加符合设计实际。

37、(2)在本发明的基础上，给定设备质量特性、燃料质量特性及推进系统质量特性后，可快速计算出飞行器全机质量特性；

38、(3)本发明方法使飞行器结构质量特性计算、飞行器气动性能计算共用一套表面网格，实现了“一网两用”，计算飞行器结构质量特性的同时还能进行飞行器气动性能计算，提高概念设计阶段多学科优化计算效率，降低时间成本。

39、(4)本发明飞行器概念设计阶段结构质量特性快速计算方法，飞行器结构质量特性计算方法简单，易编程实现，方便集成到多学科优化设计中。