毕业论文（设计）地效飞行器总体设计中若干问题研究.pdf

南京航空航天大学_硕士学位论文_ 地效飞行器总体设计中若干问题研究 _申请学位级别：硕士专业：飞行器设计_南京航空航天大学硕士学位论文摘要地效飞行器是利用飞机地面效应产生升力的飞行器，可用于登陆运输，反 潜，布雷，攻击航母，海上辑私，水上救生等，具有广阔的市场和应用前景。本文针对某型地效飞行器总体设计中的若干问题进行了研究。内容包括四个方 面：（1）针对地效飞行器外形和总体布置CAD建模问题，研究了在CATIA环境 下如何快速地建立地效飞行器的参数化CAD模型。基于这个参数化CAD模型，只要修改总体参数，就能快速地生成某型地效飞行器宽体和窄体2种方案的外形 和总体布置CAD模型。（2）由于地效飞行器气动特性对其飞行性能的影响很大，因此有必要对该 地效飞行器的2种设计方案（宽体和窄体）的气动特性进行分析。本文应用涡格 法和附面层理论建立了地效飞行器气动分析模型，计算和比较了2种设计方案的 气动特性。（3）为了获得更好的气动特性，应用基于代理模型的优化方法，对地效飞 行器宽体方案的气动外形进行了优化。比原设计方案相比，优化后的外形方案 的气动阻力下降了 14.6%。（4）针对该型地效飞行器在水面上起飞的问题，分析了地效飞行器在水面 上起飞过程，建立了地效飞行器在水面上起飞滑跑距离的计算公式，编写了相 应的计算程序，并对该型地效飞行器的起飞滑跑距离进行了计算。本文的研究成果为该型地效飞行器外形和总体布置快速CAD建模、气动特 性的初步分析、气动外形的优化设计、起飞滑跑距离的估算提供了一个有效的 手段，可加快该型地效飞行器总体设计进程，并有助于获得更好的设计方案。关键词：地效飞行器，总体设计，参数化建模，气动特性，优化，起飞性能地效飞行器总体设计中若干问题研究ABSTRACTWin g-in-gro un d a irc ra ft is a kin d o f a ir v ehic l e,in whic h l ift fo rc e is pro d uc ed by gro un d effec t.It c a n be used in ma n y a spec ts,suc h a s d eba rka tio n,tra n spo rt,a tta c kin g subma rin e,d ispo sa l o f to rped o,a tta c kin g a irc ra ft c a rrier,sea rc hin g il l ega l ships,a n d l ifesa v in g.The pa per d ea l s with so me pro bl ems o f the prel imin a ry d esign fo r the win g-in-gro un d s,c o v erin g fo l l o win g fo ur a spec ts.1)In o rd er to meet the n eed s fbr the c rea tio n o f CAD mo d el s o f win g-in gro un d c o n figura tio n a n d in tern a l l a yo ut,a metho d o f pa ra metric CAD mo d el in g fo r the win g-in gro un d c o n figura tio n a n d in tern a l l a yo ut in CATIA wa s d ev el o ped.Ba sed o n this pa ra metric CAD mo d el s,two c o n figura tio n CAD mo d el s(wid e fusel a ge a n d n a rro w fusel a ge)o f the win g-in gro un d s c a n be quic kl y gen era ted in CATIA thro ugh mo d ifyin g the pa ra meters.2)Sin c e the fl ight perfo rma n c e o f the wi n g-i n gro un d is stro n gl y in fl uen c ed by its a ero d yn a mic c ha ra c teristic s,it is n ec essa ry to stud y a ero d yn a mic c ha ra c teristic s o f the two c o n figura tio n s o f win g-in-gro un d.The a ero d yn a mic mo d el s fbr these two c o n figura tio n s were c rea ted usin g v o rtex l a ttic e metho d a n d bo un d a ry l a yer theo ry.The a ero d yn a mic c ha ra c teristic o f the c o n figura tio n s were a n a l yzed a n d c o mpa red.3)A surro ga te-mo d el ba sed o ptimiza tio n metho d wa s used to impro v e the a ero d yn a mic effic ien c y o f the win g-in gro un d c o n figura tio n(wid e fusel a ge).Co mpa red to the in itia l c o n figura tio n,the n ew c o n figura tio n a fter o ptimiza tio n ha d a better a ero d yn a mic effic ien c y with 14.6%d ra g red uc tio n.4)Co n sid erin g the win g-in-gro un d ta keo ffs fro m wa ter surfa c e,we a l so a n a l yzed the ta keo ff pro c ed ure o f the win g-in-gro un d fro m wa ter surfa c e.A fo rmul a fbr the ta keo ff d ista n c e c o mputa tio n wa s presen ted,a n d a n a sso c ia ted c o mputer pro gra m wa s d ev el o ped.The ta keo ff d ista n c e o f the win g-in-gro un d wa s o bta in ed usin g the c o mputer pro gra m.The c o n tributio n o f the pa per is to d ev el o p the to o l s fbr quic k CAD mo d el gen era tio n o f c o n figura tio n a n d in tern a l l a yo ut,o ptimiza tio n o f a ero d yn a mic c o n figura tio n,a n d the c o mputa tio n o f ta keo ff d ista n c e fbr the win g-in-gro un d.Co n sequen tl y,the d esign time o f the win g-in-gro un d c a n be red uc ed substa n tia l l y,a n d better c o n figura tio n c a n be o bta in ed.Keywords:win g-in-gro un d,prel imin a ry d esign,pa ra metric CAD mo d el s,a ero d yn a mic c ha ra c teristic s,o ptimiza tio n,ta keo ff perfo rma n c eii南京航空航天大学硕士学位论文图形目录图1.1 里海怪物.4图1.2 X114地效飞行器.5图1.3”信天翁1号小型地效飞行器.6图1.4“天鹅”号地效飞行器.6图1.5“天使鸟”地效飞行器.8图1.6“天使鸟”号俯视图.8图1.7“天使鸟”号侧视图.8图2.1地效飞机总体设计方案（宽体）.14图2.2地效飞机总体设计方案（窄体）.15图2.3 内翼曲面图.16图2.4组合翼曲面图.17图2.5机身外形特征参数图.17图2.6船身剖面图.18图2.8油箱特征参数图.22图2.9 宽体方案外形图.24图2.10宽体方案内部布置图.24图2.11窄体方案外形图.24图2.12窄体方案内部布置图.25图3.1 涡格法分布图.26图3.2宽体方案气动模型.30图3.3窄体方案气动模型.30图3.4两种方案的升力线.32图3.5 两种方案的极曲线.32图3.7升力曲线随地效高度变化图（宽体）.33图3.8升力曲线随地效高度变化图（窄体）.33图3.9地效高度对极曲线的影响（宽体）.34图3.10地效高度对极曲线的影响（窄体）.34图3.11诱导阻力系数随重心位置的变化（宽体）.35图3.12地效高度对气动焦点的影响.35图4.1建立气动分析代理模型的流程.39v地效飞行器总体设计中若干问题研究图4.2 2因素4水平拉丁超立方抽样示意图.40图4.3系统集成过程（a）.45图4.4 系统集成过程（B）.45图4.5 分析程序AVL及FRICTION集成模块.45图4.6诱导阻力系数的优化迭代过程.47图4.7摩擦阻力系数的优化迭代过程.47图4.8总阻力系数的优化迭代过程.48图4.9 优化后的三维CAD模型.49图5.1地效飞行器受力分析图.52VI南京航空航天大学硕士学位论文表格目录表1.1“天使鸟”号地效飞行器的基本数据.7表2.1宽体方案参数表.14表2.2窄体方案参数.15表2.3 地效飞机机身参数表.18表2.4 机身底部外形参数.19表2.5机翼参数.19表2.6分水体外形与位置参数.20表2.7平尾外形参数.21表2.8 垂尾参数.21表2.9 座舱布置的参数.22表2.10油箱参数布置表.22表2.11其他参数.23表3.1 AVL程序的输入参数.29表3.2 FRICTION程序的输入参数.31表4.1地效飞行器外形参数.36表4.2外形优化的设计变量及变化范围.37表4.3优化结果分析.48表4.4优化前后外形参数对比.48VII地效飞行器总体设计中若干问题研究注释表a攻角r环量为无量纲涡强Vg来流速度Gjik马蹄涡的影响系数缘物面中弧线沿X向的斜率4,4控制点的坐标L机翼升力戢升力系数D机翼阻力Cd阻力系数ARI内翼展弦比ta per 1内翼梢根比Al内翼安装角Cl内翼扭转角AR2外翼展弦比ta per2外翼梢根比A2外翼安装角B2外翼上反角C2外翼扭转角X内外翼前缘点的距离VIII南京航空航天大学硕士学位论文AR3平尾展弦比ta per3平尾梢根比A3平尾安装角spa n展长semispa n半展长Goot根弦长梢弦长Offtip梢弦前缘点距根弦前缘点的位置Bta per机翼Y轴距离Cta per机翼X轴距离Sref Bref Cref V。GPAW组合翼参考面积组合翼展长组合翼平均气动弦长离水速度飞机重量螺旋桨拉力流体动力升力流体动力阻力(P(PbA纵倾角拉力与基线的夹角水载荷。机翼翼弦相对于船身构造水平线的倾角%船身断阶间的部分的纵向斜升角c r摩擦阻力系数Pw水的密度S船底浸湿面积IX地效飞行器总体设计中若干问题研究B机身宽度Re雷诺数V水的动力粘性系数V起飞滑跑距离H飞行高度X承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：_日 期：南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论1.1 地效飞行器的概念很早以前飞行员就经常发现，飞机着陆接地前会突然出现一种被强制改平 的现象，人们将之称为“地面效应当时由于这种现象的形成机理，以及这种现 象对飞机的稳定性的影响知之甚少，它经常引发一些事故，所以被视为一种有 害的现象。地面效应的成因是因为飞行器接近地面一定高度时，流经机翼与地面间的 气流被强烈阻滞，翼下压力剧增，从而导致升力额外增加，机翼气动效率明显 提高就像掉落的树叶接近地面时往往要横着飘落一段距离后才能落地一 样。当飞机采用下单翼且机翼面积较大时，情况与树叶非常相似，尤其是当它 距地面高度约为翼展一半左右时，地面效应最为强烈。至于产生地面效应的准 确高度，说法不尽相同，其实这也无需量化，理论上无论低速飞机飞得多高，它与地面都存在空气压力的相互干扰，而这种干扰的上限就是地效。“地效在空 气动力学中的正规名称为“表面效应”，这里的表面包括地面，冰面和水面。所谓地效飞行器就是利用地面效应提供支承力而飞行的动载工具。地效飞 行器明显属于学科交叉的产物，因此其称谓也比较混乱。从研究方向上看，它 是从船舶角度出发的，因此一直有人称其为艇或船，其实从严格意义上讲，它 的运动方式应该算是飞行。而且，它也主要是在水面上飞行，在航空领域通常 约定俗成地将此类飞行器称为“地效飞行器在本文中沿用地效飞行器这一术 语。地效飞行器可分为以下三类：1)A类地效飞行器：始终在地效区域飞行。2)B类地效飞行器：具有短时间飞出地效区的能力，可安全飞越船舶或其 他障碍的地效飞行器，其飞行高度(飞高)不超过我国现行规定的空域控制高 度或15 0m。本文研究的原型“天使鸟”号地效飞行器即属于此类。3)C类地效飞行器：可以在地效区内外，并能在海拔15 0m以上高度安全飞 行的地效飞行器。地效飞行器看上去很像一般的飞机，但仔细比较后会发现其外形与一般的 飞机有着明显的不同：1)展弦比有明显的不同：一般飞机的展弦比都在5以上，如运一7飞机的展 弦比为11.74,水轰五飞机展弦比为9,轻型飞机AD100展弦比为8等，而地效 1地效飞行器总体设计中若干问题研究飞机的展弦比多在24,比一般的飞机小得多。2）机翼安装位置有所不同：地效飞行器机翼低置在机身下部，或机翼虽不 在机身下部却有较大的下反角（如“信天翁”系列地效飞行器）。3）机翼相对机身的安装角有所不同：一般飞机机翼的安装角在1度左右，很少有大于2度的情况，而地效飞行器的机翼安装角可以达到5度以上。4）机翼外端皆布置有挡板或浮舟：主要是为了使地效飞行器的机翼，机身，挡板（浮舟）之间形成一个压缩空气的空腔，以便能够充分的利用地面效应。5）动力装置的选择与布置也有所不同：地效飞行器，特别是带有气垫升力 的地效飞行器，为了形成有力的气垫，往往在考虑动力装置时不仅要其产生推 力，还要考虑垫升动力。推力和垫升动力可以是由同一发动机产生的，也可以 分别为独立的动力装置。6）飞行状态和操纵方式有所不同：地效飞行器基本上是定常平飞状态，驾 驶员的操纵作用不大，其主要是维持最有利的飞高，以确保飞行安全。而飞机 的飞行远不仅仅是平飞而已，其起飞，着陆过程以及空中的各种机动飞行比地 效飞行器复杂的多。此外，地效飞行器一般还采用高置水平尾翼（在地表和机翼后方气流的影 响范围以外）用来保证纵向稳定性。整个流线型的机体，带有加固了的底部，装有用于辅助水面起飞和降落的特殊设备：旋转发动机，扰流片，前缘缝翼以 及向机翼下喷气的设备，水橇等。与一般飞机相比，在水面上飞行的地效飞行器有如下优点：1）承载率高，经济性好：由于地效飞行器在贴近水面（或地面）飞行时，机翼下表面离地表很近，形成气流的阻塞，使机翼的升力增加，诱导阻力减小,从而大大提高机翼的升阻比，所以飞行时消耗的推进功率小，具有更大的载重 量或航程。由于地面效应产生较大的升阻比,使得地效飞机的有效载重能达到自 身的50%以上,而波音747的载重只有自身的20%。飞机通常在万米高空飞行，一 旦发生险情后果不堪设想，所以飞机在设计，制造，适航审定，维护等各方面 要求相当严格，而地效飞行器在离水面儿米的高度飞行，所以要求宽松得多，大大降低了成本。2）飞行平稳，适航性好：地效飞行器在水面上飞行时，除起飞降落阶段，机身并不与波浪直接接触，基本不受波浪影响，飞行非常平稳，舒适性非常好。3）非常安全：由于地效飞行器贴着水面飞行，任何时候只要海情允许都可 以降落，如果在飞行过程中发生故障或紧急情况都可以马上在水面上安全降落,2南京航空航天大学硕士学位论文这一点是陆上起飞的飞机无法比拟的。4）容易大型化：飞机降落时，接地瞬间起落架和跑道要承受相当大的冲击 载荷，飞机越大，冲击就越猛烈，而加强起落架和跑道需要付出相当大的代价,这在很大程度上限制了飞机的进一步大型化，而地效飞行器由于着水时是机底 平面接水，受到的撞击也小很多，机身可以做的更大。反而随着地效飞行器吨 位的增加，其经济性和耐波性还会进一步提高。5）多用途：地效飞机军事上可用于登陆运输，反潜，布雷，攻击航母，充 当战斗机，打击地面目标和巡逻等任务，在民用方面可用于客、货运输，海上 辑私，水上救生等，因此具有广阔的市场和应用前景。1.2 地效飞行器的发展简况地效飞行器的研究最早开始于20世纪30年代，但没有受到什么重视。50年 代末苏联水翼船之父阿列克谢耶夫受命领导地效飞行器的研发项目。基于地效 总行器既是飞机和船舶技术的结合，又与一般概念的飞机或船舶有重大差异的 特点，阿列克谢耶夫大胆突破了飞机设计和船舶设计的常规设计路线，创造性 地采用大量研究制作各类基础缩比装置的办法，找到了地效飞行器独特气动水 动布局，成功地解决了“地效飞行器在复杂的汽水介质之间近地飞行环境中的 稳定性”这一关键的技术难题，取得了重大突破，发明了高平尾，首部前置发 动机气流垫升的地效飞行器布局外形。目前，地效飞行器已经日益受到世界各国的重视，在中小型地效飞行器的 设计和制造上已经积累了丰富的经验，以俄罗斯为代表的一些国家已经具备了 比较成熟的技术。1961年，苏联水翼船中央设计院建成第一艘地效试验船。1966 年，苏联的1：1大型试验型地效飞行器（长100m,重量为5 44t,约可乘载1000 名武装士兵）秘密建成，并被运至里海基地开始试验，被美军的卫星发现后，美国并不清楚这种即像飞机又贴着海面飞行的飞行器的真实身份，只好给它个 外号叫“里海怪物”（见图1.1）。里海怪物的设计大大超前于它所处的时代，直到 今天乃至今后的儿十年，设计师们都不敢设计如此巨大的地效飞行器。1 973年 两栖突击型地效飞行器“雏鹰”（起飞重量1401,航程1 500km）在伏尔加河首航成 功，但前后仅生产四架，后由于发生机毁人亡的事故停飞。更新型的是1 987年 研制成功的“雌鸥”导弹发射艇（重400i,机身背部每边安装四台涡轮喷气发动机,背部装有六枚反舰导弹），“雌鹑”多次参加前苏联和俄罗斯的海上军事演习并表 现出巨大威力。此外，前苏联研制成功的地效飞行器比较著名的还有双座教练 3地效飞行器总体设计中若干问题研究型“雨燕”（起飞总重1.6t,速度200km/h,航程400km）。8座两栖客运型“伏尔加 2”（起飞重量2.85 t,速度140km/h,航程5 00km）。前苏联解体后，俄罗斯将研究 重点转向了小型民用地效飞行器并与其他国家开展了积极的国际合作，如美国 的T&T公司的“Amp hista r”就是与俄罗合作在“伏尔加一2”的基础上缩小尺寸并进 行现代化改装而成。现在，经过40余年的研究发展，俄罗斯已经被公认在地效 飞行器领域具有世界领先水平。图1.1里海怪物儿乎和阿列克谢耶夫同时，德国人利配什（Lippisc h）也开始了对地效飞 行器的研究，I 960年，利配什受命为美国科林斯广播公司设计一架速度很快的 地效飞行器，这就是X112,X 112采用了当时是革命性的设计：下反三角翼，T型平尾。这样的布局使得X 112具有很高的稳定性，在地效区航行时效率也很 高,在此基础上很快发展出了后来的X 113,X-114,其中X114（见图1.2）也采用了类似X 112的布局形式，但不同的是X114不但能在地效区航行，还 可以做脱离地效作用的高飞。此后，德国人哈莫费斯切尔研制出了“飞鱼”（Aifis h）系列地效飞行器，其中“飞鱼一3”型非常成功，不同于X 114可以长 时间高飞，“飞鱼一3”只能短时间脱离地效区飞行，但效率比X 114大大提高。除“飞鱼”系列外，费斯切尔也已经着手发展利用气垫增升技术来减小起飞阻力的 下一代地效飞行器，其中两座型HW2VT已经试航成功，并开始研制更大的20座 地效飞行器。4南京航空航天大学硕士学位论文图1.2 X 114地效飞行器此外，日本，韩国，澳大利亚等国对地效飞行器很感兴趣，但是目前还主 要处于图纸设计和模型试验阶段，倒是美国40多年前中止了地效飞行器的发展 后，又重新开始了地效飞行器的研究，除前面提到的T&T公司和与俄罗斯合作发 展的“Amphista i”外，又有报道称波音公司应五角大楼的要求，正准备研制一种 起飞重量达到1 270吨的超巨型地效飞行器“鹏鹏”号，但除了有一张构想图以外，还未见实质性的进展。我国在这一领域的研究始于20世纪60年代末，在对当时前苏联地效飞行器 的研究进展并不了解的情况下，我国的科技工作者就开始了对地效飞行器的独 立探索。1 969年702所研制成功的961单座实验艇，分别在淀山湖和太湖进行了 试验，尽管当时飞高只有0.2-0.3米，但这却是具有历史意义的我国地效飞行器 的第一次飞行。目前，经过四十余年的发展，形成了702所，708所，605所等几 家主要的地效飞行器研制单位。1 989年702所研制的“信天翁1号”小型地效飞行器 试验样机首次公开亮相（见图1.3）,1 993年又研制出可载员15人的“信天翁2号”地效飞行器并成功试航，随后又连续推出了“信天翁3号”和“信天翁4号”等系列，这一系列的布局特征为：下反三角翼以增强航行稳定性，两台螺旋桨发动机安 装在机翼靠近根部处以尽可能高出水面，双支撑T型平尾避开发动机尾流的影 响。90年代后期，708所研制成功的“天鹅”号地效飞行器是将气垫技术与地效翼 技术进行结合，使之具有低速排水航行，中速气垫航行和高速离水航行的多种 航行功能（见图1.4）。此外，从1 995年5月开始，仅以总投资4000万人民币，从 立项、论证到完成试飞不足4年的时间，605所研制了一种轻型实用地效飞行器 DXF-100,该飞机设计为客运型，采用了小展弦比的矩形机翼，机翼两侧各一 5地效飞行器总体设计中若干问题研究副垫升用导管螺旋桨，这一系列地效飞行器的特点是主要在内湖和近海地区飞 行，但不具有真正的掠海飞行能力。国内的民营资本也开始介入到了地效飞行 器的研制中，2002年南京银河龙翼船有限公司成功研制了“天使鸟”号地效飞行器 40有关“天使鸟”号地效飞行器的情况将在下节进一步介绍。佶天,1型地效翼船图1.3“信天翁1号”小型地效飞行器中国船舶708所研制的“天鹅”地效飞行器。图1.4“天鹅”号地效飞行器1.3“天使鸟”号地效飞行器“天使鸟，号地效飞行器是由南京银河龙翼船有限公司设计并生产的六座掠 海地效飞行器，于2002年元月在海南三亚试飞成功。“天使鸟号地效飞行器在设计之初就定位为主要用于沿海和岛屿之间的海 上交通运输。这是考虑到地球表面71%的面积被水覆盖，其中仅有不到5%的水 域面积是河流，湖泊等内陆水域，超过95%的水域是海洋，只有拥有掠海飞行 能力，地效飞行器才能得到更广泛的应用。目前国内外研制成功的地效飞行器,除了前苏联的少数大型地效飞行器外，大部分只能在内陆水域飞行，不具备掠 海飞行能力。表1 J为“天使鸟”号地效飞行器的基本数据。6南京航空航天大学硕士学位论文表1.1“天使鸟”号地效飞行器的基本数据总长12.6m翼展10.7m机高3.5 m最大起飞重量2000kg人员6人（1驾+5客）巡航速度130km/h最大速度18 0 k m/h实用升限地效高度0.53m飞高30 5 0m起飞滑跑距离25 0-320m动力装置1台活塞式动机“天使鸟”号地效飞行器的主要技术特点：1）采用了动力增升型布局方式由于“天使鸟”号地效飞行器定位为主要用于沿海和岛屿之间的海上交通运 输，所以首先要考虑抗风浪性能。动力气垫布局虽然两栖性能和起降性能较好,但地效高度相对较小，受风浪影响较大，所以“天使鸟”号采用了动力增升型布局。其外形很像常规的单船式水上飞机，发动机高置在船身背上，以免起降及航行 时受到溅起的水化的影响。同样，为了避免浪花对平尾的影响，尾翼布局采用T 型尾翼，同时增大了平尾和升降舵面积以消除发动机尾流的影响，以获得足够 大的纵向静安定度。2）机翼为组合翼布局“天使鸟”号机翼由内段小展弦比矩形地效翼与外段梯形飞行翼构成，通常称 为组合翼。采用小展弦比机翼主要有以下几个原因（1）小展弦比翼对地面效 应比较敏感，对整船的纵向稳定性有利。（2）相对飞高较小时，小展弦比加端 板，有效展弦比明显增加，可以获得较大的有效展弦比，也能得到较好的气动 品质。（3）高速低空飞行时，小展弦比可以减小单侧触水的机会，不会产生很 大的回转力矩。内外段之间设有浮舟，即可起到阻隔作用，又可在地效飞行时 与机身，水面之间形成一空腔，充分利用地效作用。“天使鸟”号的主翼是采用独 特的S型翼型，其上翼面能产生较强的负压，中线为S形。而外翼为带一定上反 角的梯形翼，可以改善机翼气流绕流特性和气动力品质，起到横侧稳定作用，在大飞高时主要由外侧小翼提供升力。这样的组合翼布局兼顾了地效飞行和高7地效飞行器总体设计中若干问题研究飞的需要，在地效区飞行能产生较强的地效作用，高飞时性能也很好。图1.5为“天使鸟”地效飞行器的实物照片，图1.6和图1.7分别为俯视图和侧视图。图L7“天使鸟”号侧视图8南京航空航天大学硕士学位论文1.4本文的研究背景和工作内容近来，有投资方希望在已有的“天使鸟”号地效飞行器基础上,研制一种12座 的地效飞行器。在已完成的12座地效飞行器的概念设计中，已经提出了宽体和 窄体2种方案。在这种背景下，本文针对12座地效飞行器的总体设计中的几个问 题进行了研究。工作内容包括四个方面：(1)针对地效飞行器外形和总体布置CAD建模问题，研究在CATIA环境下如 何快速地建立地效飞行器的参数化CAD模型。研究目标是基于这个参数化CAD模 型，只需修改总体参数，就能快速地生成该型地效飞行器宽体和窄体两种方案 的外形和总体布置CAD模型。(2)由于地效飞行器气动特性对其飞行性能的影响很大，因此有必要对该 地效飞行器的两种设计方案(宽体和窄体)的气动特性进行分析。研究目标是 初步建立地效飞行器气动分析模型，计算和比较两种设计方案的气动特性，并 为气动外形优化做好准备工作。(3)为了获得更好的气动特性，应用优化方法，对地效飞行器宽体方案的 气动外形进行优化。(4)针对该型地效飞行器在水面上起飞的问题，分析地效飞行器在水面上 起飞过程，建立地效飞行器在水面上起飞滑跑距离的计算公式。研究目标是估 算出该型地效飞行器的起飞滑跑距离。本文的后续儿章内容安排如下：第二章首先阐述参数化建模的儿种方法，然后选取合适的方法对地效飞行器进行参数化建模，根据已有的地效飞行器原 型提出两种改进方案，阐述地效飞行器外形建模过程及内部座舱参数布置建模 过程。第三章主要建立地效飞行器的气动分析模型，并分析计算两种设计方案 的气动特性，建立的气动分析模型为下一章的气动外形优化设计奠定了基础。第四章首先描述地效飞行器的气动优化问题，然后应用基于代理模型的优化方 法求解这一优化问题。以工程优化软件i SIGHT为辅助工具，集成地效飞行器的 气动分析模型，实现地效飞行器的气动外形优化流程，获得优化外形参数。第 五章研究了如何计算地效飞行器在水面上起飞滑跑距离。9地效飞行器总体设计中若干问题研究第二章地效飞行器总体方案的参数化建模由于在地效飞行器设计初期其外形常常需要修改，而地效飞行器的外形较 为复杂，手动修改其外形较为耗时。为了提高设计效率，研究一种根据设计概 念就可快速自动生成地效飞行器的三维模型的途径是非常必要的。参数化设计 通常是指CAD系统为设计、绘图及修改图形提供一个软件环境，设计人员在此环 境下用一组参数来构造设计对象的信息模型，参数与设计对象的尺寸有显式对 应，当参数值发生变化时，设计对象随之改变。本章主要研究在CATI A环境下对地效飞行器外形及内部布置进行参数化建 模。首先阐述参数化建模的方法，然后分别对地效飞行器整体外形和内部布置 进行参数化建模，在CATI A环境下生成飞行器的三维参数化模型，并得到了宽体 和窄体2种方案的外形及内部布置CAD模型。2.1参数化建模方法参数化模型的表示有两种基本形式：基于约束的模型和基于历史的模型。基于约束的模型通过在当前实例上附加约束的方式描述最终的几何体的特征，该方法侧重生成的结果，只要结果中包含了所需的几何特征，获得结果的历史 是无关紧要的。基于历史的模型通过按顺序描述一个几何体的构造方法的历史 来构造儿何体，该方法侧重生成的过程，如果有了正确的生成过程，则生成结 果也是正确的。下面分别介绍这两种模型：一、约束模型：约束模型由当前实例和作用于当前实例的显式约束集合构成，当前实例又 称当前解，是一个完全赋值的模型。在设计的开始阶段，参数信息不足以唯一 的决定一个产品的形状，当前解是众多解的一个，用于传递设计者的意图，构 造可视化信息。主要的约束求解方法可以分为四类：1)数值求解方法：该方法是最常用的方法，将儿何约束转化为一系列非线 性方程组F(X)=0,其中*=建1门2一,同为表征各几何元素形状和位置的几 何参数集合，F=(f 1J2,.fn)为约束方程构成的集合。一般利用Newt o n-Ra ph-s o n迭代或其改进方法求解方程组期。2)符号计算方法：此方法将约束转化为一系列代数方程，在很多情况下，每个方程只与极少的几何参数有关，即方程组F(X)=0是一个稀疏方程组，利 10南京航空航天大学硕士学位论文用稀疏矩阵的分解理论可以获得一个求解序列5。3）基于规则的方法：该方法采用类似于规尺的构图方式，通过依次安排各 个几何元素来满足约束口久这种方法与人工智能联系密切，同时利用了大量的 几何知识，重写规则或规则匹配技术分析约束集。4）基于图的方法：首先构造约束问题的图表示，图中的结点代表单个儿何 元素，结点之间的边表示这两个元素之间的约束关系，约束图构造完成之后，根据图论的有关知识和结点元素的性质，对约束图进行分割、化简和求解。这几种方法侧重生成的结果，只要结果中包含了所需的几何特征，获得结 果的历史是无关紧要的。约束模型通用性好，表达能力强，但由于缺少与背景 相关的推理机制，每加入一个约束，所有约束都要一起计算求解，需要很强的 计算能力。二、历史模型历史的方法在用户交互操作的过程中记录用户的操作顺序，考虑对象的约 束顺序，认为约束是有向的。如定义垂直约束关系，（直线11,直线I2）,I2 属于参照对象集合，当改变I 2时，自动改变11以满足约束；而当改变11时，约 束不影响I 2。同一般的约束方法相比较，历史的约束方法由于考虑了建模过程 中所蕴涵的设计知识和约束关系，可以将有向约束简化为简单序列，将约束求 解的问题由大规模方程求解转化为对单个方程或表达式的求解。综上所述，历史模型侧重生成的步骤，求解相对简单。对于二维图纸，直 接在点，线，圆等基本元素上附加显示约束的交互手段更加快捷灵活，符合用 户习惯一，约束模型较历史模型的表达能力更强，处理的范围更广，因而一般采 用基于约束的模型；而对于复杂的三维造型（如地效飞行器），设计过程中所涉 及的儿何元素的数目非常多，问题的求解空间由二维转为三维，约束的求解难 度也迅速增加，如果要考虑每个部件几何形状之间的关系，采用约束模型求解 较为困难口3因此本文采用基于历史的模型的建模思路。历史模型由若干有序 事件组成，对每个事件按顺序求解，得到最终模型的解。参数化建模方法为快速地生成产品三维外形模型提供了一种有效的途径。常规的参数化建模一般是先建立模型母版，然后再将母版进行参数驱动的方法 来完成。这种方法对相对较为简单，能在短时间内建立起母版的模型较为方便 实用，但是对地效飞行器这种外形复杂、参数多的模型而言，由于此方法将参 数化建模工作分成两个部分先后进行，即先建立模板，然后根据模板求解约束 条件，这样求解参数比较麻烦，因而参数化过程中很容易出错。鉴于此，本文 11地效飞行器总体设计中若干问题研究在建模初期便引入参数，使整个模型的参数化程度较高，并在建模的不同阶段 引入所需的不同参数使模型的创建思路清晰，参数设置可靠性较高，检查校对 工作更为轻松。选择表示地效飞行器总体外形的设计参数应遵循下述原则：1)各设计参数 必须相对独立，不能相互耦合，否则将无法得到正确的地效飞行器外形；2)设 计参数的数量应尽量少，以尽量减少优化过程的计算量；3)设计参数应直观，物理含义明确，并尽量与传统的飞机设计参数保持一致，以便利用已有的设计 经验。2.2 CATIA环境下参数化建模方法CATI A是法国Da ssa ul t Sy st em公司开发的以NT为平台的三维CAD软件，具有 人机交互友好，专业功能强大，使用操作简单等特点，其已在机械，汽车和航 空等行业得到广泛的应用，深受各国用户好评口叫由于CATIA提供了大量常用的 参数化功能，所以本文研究如何在CATI A环境下实现地效飞行器外形参数化设 计。CATI A提供了三种参数化建模的途径，分述如下：1)利用系统参数与尺寸约束驱动图形：CATI A将对象形状和尺寸两者结合 起来，通过尺寸约束对设计对象进行控制。建模时，系统自动将设计人员输入 的尺寸作为约束参数保存起来，此后设计人员能可视化地对其修改，实现参数 驱动的目的。2)通过用户参数和公式驱动设计对象：通过CATI A系统提供的工具f(x),设计人员可以方便的设置自己所需要的参数及约束这些参数的公式，建立系统 参数与用户参数之间的关系式，从而通过用户参数驱动系统参数，实现对设计 对象的控制。3)利用设计表格数据驱动图形：生成设计表的途径有两种。一种是通过已 存在的Ex c el产生参数表和CATI A进行关联；另一种是利用现有参数中生成设计 表,选定在f(x)中设定的参数后,选中Crea te a d esi gn ta bl e wi t h c urren t pa r a met er v a l ue功能，CATI A会自动生成一个含有所选参数数据的Ex c el文件，编辑修改参数只需要在Ex c el文件中修改，保存后在CATI A环境下刷新就可以自 动重新生成模型了“句口工本文在绘制模型时就设定好参数，具体参数的选取根据飞机的具体外型而 定，需要时在f(x)中设置公式对参数进行关联，然后通过在CATI A下生成Ex c el 文件对参数进行记录并修改。这种参数化方法通过外部的参数数据来控制几何12南京航空航天大学硕士学位论文形状，