一种半径可控的参数化三维前缘钝化设计方法技术

一种半径可控的参数化三维前缘钝化设计方法，首先给定初始乘波体外形，然后对初始乘波体外形中的尖锐前缘进行钝化，包括以下步骤：先将乘波体上表面抬升一定高度，接着获取抬升后的乘波体前缘点P2的插值条件，给出抬升后的钝化前缘曲线上不同横向站位处的钝化半径，设置抬升后的乘波体前缘点P2以及乘波体的上表面沿法向抬升高度h；最后利用3次Bézier曲线构造钝化前缘曲线，然后放样得到钝化前缘曲面。本发明专利技术在保证钝化前缘曲线与上、下表面曲线光滑连接的同时，还可以根据热防护需求指定各前缘点处的钝化半径，有效地实现了热防护与气动外形的多学科耦合设计。

A parameterized three dimensional blunting design method with controllable radius

Three dimensional parameter design method of a leading edge passivation radius controllable, given the initial waverider configuration, and then take the initial passivation on the leading edge of the wave shape of the sharp body, which comprises the following steps: first by lifting surface wave on a certain height, then gets the leading edge waverider uplift P2 interpolation conditions the radius of different transverse station, passivation passivation curve is given after the front uplift, uplift setting waverider front point P2 and on the surface of waverider along the normal lifting height of H; finally, using 3 B zier curves and structure of blunt leading edge curve, and then get the front surface passivation lofting. The invention can ensure the smooth connection of the passivation leading edge curve with the upper and lower surface curves, and can also designate the passivation radius at the leading edge points according to the thermal protection requirement, and effectively realizes the multi-disciplinary coupling design of thermal protection and aerodynamic configuration.

【技术实现步骤摘要】
一种半径可控的参数化三维前缘钝化设计方法
本专利技术涉及高超声速飞行器
，尤其涉及一种半径可控的参数化三维前缘钝化设计方法。
技术介绍
在高超声速飞行时，空气受到剧烈压缩而产生的气动加热使得飞行器面临的巨大的热防护压力，因此高超声速飞行器在工程应用中必须要对存在的尖锐前缘进行钝化处理。在旋成体、升力体、翼身融合体等常见高超声速飞行器气动构型之中，乘波体具有升阻比大、设计过程简单等优点，是一种应用前景广阔的高超声速飞行器气动构型方案。但乘波体的设计原理决定了其外形必然带有尖锐前缘，给热防护和加工制造带来一定困难，在设计时有必要对其前缘进行钝化处理。目前，虽然已有相应三维钝化方法可使钝化前缘与飞行器表面光滑连接，但尚不能指定各前缘点处的钝化半径，故在设计飞行器气动外形时无法根据热防护需求所提出的前缘约束对钝化前缘进行针对性设计。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述缺陷，本专利技术目的在于提供一种半径可控的参数化三维前缘钝化设计方法，其能够解决现有的前缘钝化方法不能兼顾钝化前缘与飞行器上下表面光滑连接与指定各前缘点钝化半径的问题。本方法使钝化前缘能在满足与飞行器上下表面光滑连接且钝化前缘形状沿横向连续变化的同时，还可根据热防护需求来设计各前缘点处不同的钝化半径，有效地实现了热防护与气动外形的多学科耦合设计。为实现本专利技术之目的，采用以下技术方案予以实现：一种半径可控的参数化三维前缘钝化设计方法，首先给定初始乘波体外形，然后对初始乘波体外形中的尖锐前缘进行钝化。给定的初始乘波体外形，既可是吻切锥乘波体，但不局限于该乘波体或锥导乘波体等其他类型的乘波体外形，还可用于其他带有尖锐前缘的飞行器外形。也就是本专利技术接下来重点介绍的钝化方法可以应用于带有尖锐前缘的乘波体或者是带有尖锐前缘的飞行器，实现乘波体或飞行器的三维前缘钝化。具体地，对尖锐前缘进行钝化，包括以下步骤：S1将乘波体上表面抬升一定高度；给定初始乘波体外形，即已知乘波体未钝化时的原始前缘点为P0和未钝化前的乘波体纵向截面曲线；未钝化前的乘波体纵向截面曲线由前缘点、上表面曲线和下表面曲线连接而成。设对乘波体的上表面沿法向抬升高度h，抬升后的乘波体上表面端点为P1，抬升后的乘波体下表面端点为乘波体未钝化前的原始前缘点P0。抬升后的乘波体纵向截面曲线由上表面曲线、下表面曲线以及钝化前缘曲线连接而成，其中上表面曲线和下表面曲线即是未钝化前的乘波体纵向截面曲线上的上表面曲线以及和下表面曲线，因此是已知的，钝化前缘曲线是待求解的；抬升后的乘波体上表面端点P1是上表面曲线上的点，抬升后的乘波体下表面端点P0是下表面曲线上的点。S2获取抬升后的乘波体前缘点P2的插值条件；抬升后的乘波体前缘点P2的插值条件为抬升后的乘波体下表面端点P0处的切矢v0、曲率k0和抬升后的乘波体上表面端点P1处切矢v1和曲率k1。S3给出抬升后的钝化前缘曲线上不同横向站位处的钝化半径。S4设置抬升后的乘波体前缘点P2以及乘波体的上表面沿法向抬升高度h。S5求出所有钝化前缘曲线，然后放样得到钝化前缘曲面。本专利技术S2中，对上表面曲线进行均匀离散，获得多个离散点，获得的多个离散点中包括抬升后的乘波体上表面端点P1，对多个离散点进行差分，能够获得抬升后的乘波体上表面端点P1的1阶和2阶导矢，进而获得抬升后的乘波体上表面端点P1处的切矢v1和曲率k1；同样的，对下表面曲线进行均匀离散，获得多个离散点，获得的多个离散点中包括抬升后的乘波体上表面端点P1，对多个离散点进行差分，能够获得抬升后的乘波体下表面端点P0的1阶和2阶导矢，进而获得抬升后的乘波体下表面端点P0处的切矢v0和曲率k0。本专利技术S3中，未钝化前的乘波体纵向截面曲线中的前缘曲线已知，故前缘曲线上各横向站位处的前缘后掠角已知，前缘曲线上各横向站位均一一对应钝化前缘曲线上的横向站位，钝化前缘曲线上各横向站位处的当地前缘后掠角与前缘曲线上与之对应的横向站位处的当地前缘后掠角看作相同，即钝化前缘曲线上各横向站位处的当地前缘后掠角λ已知。设定抬升后的乘波体前缘点P2处的前缘钝化半径，由预先设定的抬升后的乘波体前缘点P2处的前缘钝化半径和钝化前缘曲线上各横向站位处的当地前缘后掠角λ来确定抬升后的钝化前缘曲线上各横向站位处的前缘钝化半径，如式(3)所示：rswept＝rsymmetry(cosλ)2.2(3)其中，rswept为钝化前缘曲线上各横向站位处的前缘钝化半径；rsymmerty为预先设定的抬升后的乘波体前缘点P2处的前缘钝化半径。本专利技术S4中，抬升后的乘波体前缘点P2和乘波体的上表面沿法向抬升高度h的设置应满足以下两个要求：1)抬升后的乘波体前缘点P2和乘波体的上表面沿法向抬升高度h的设置能使乘波体钝化前缘曲线能够成功生成；2)抬升后的乘波体前缘点P2的曲率大于乘波体钝化前缘曲线上各横向站位处的曲率。进一步地，本专利技术将乘波体的上表面沿法向抬升高度h设置为当地前缘钝化半径的1～2倍。抬升后的乘波体前缘点P2设置在上表面曲线以及下表面曲线的延长线所构成夹角的角平分线上，抬升后的乘波体前缘点P2距P0点的水平距离l可由式(4)得出：l＝rswept/cosλ(4)其中，rswept为当地前缘钝化半径。本专利技术S5中，根据点P0和P1以及S2获取的抬升后的乘波体前缘点P2的插值条件求出插值曲线即钝化前缘曲线；将求解钝化前缘曲线的问题看作插值于两个端点的GHI问题，利用3次Bézier曲线构造钝化前缘曲线，求出所有的钝化前缘曲线，选取其中同时满足S4中要求的钝化前缘曲线进行放样，从而得到所需的钝化前缘曲面。具体地，在本专利技术中是以P0、P2为端点利用一段3次Bézier曲线构造点P0和P2间的钝化前缘曲线，以P2、P1为端点利用一段3次Bézier曲线构造点P2和P1间的钝化前缘曲线，完整的钝化前缘曲线即由点P0和P2间的钝化前缘曲线和点P2和P1间的钝化前缘曲线连接而成，求出所有的钝化前缘曲线，选取其中同时满足S4中要求的钝化前缘曲线进行放样，从而得到所需的钝化前缘曲面。3次Bézier曲线共需要4个控制点来进行曲线的求解，因此首先根据已知的两个控制点(即点P0和P2或者点P2和P1)求得插值曲线中的另外两个控制点，然后根据已知的两个控制点以及求解得到的另外两个控制点，即4个控制点来进行插值曲线的求解。下面介绍如何以P0、P2为端点利用一段3次Bézier曲线构造点P0和P2间的钝化前缘曲线，方法如下：已知的两个控制点P0和P2(即两个端点)与待求的两个控制点P3和P4，这4个控制点间的关系可由下式表示其中：δ0和δ1为设定的中间参数，为待求值；v0和v2分别为端点P0和P2处的切矢。两个端点P0和P2处的曲率为由S2获取的抬升后的乘波体前缘点P2的插值条件可以得到关于δ0和δ1的方程组其中d是两个端点P0和P2之间的位移矢量。通过求解方程组(7)可以得到未知参数δ0和δ1的值，从而计算得到其余两个控制点P3和P4的坐标，进而得到一条曲率连续的插值曲线，即利用3次Bézier曲线构造的点P0和P2间的初步钝化前缘曲线。方程组(7)的解可能有0至3个解。由于乘波体钝化前缘曲线为三维空间曲线，钝化前缘曲线上各个横向站位处的端点插值条件不一，可能导致方程无解本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半径可控的参数化三维前缘钝化设计方法，其特征在于：首先给定初始乘波体外形，然后对初始乘波体外形中的尖锐前缘进行钝化，包括以下步骤：S1将乘波体上表面抬升一定高度；给定初始乘波体外形，即已知乘波体未钝化时的原始前缘点为P0和未钝化前的乘波体纵向截面曲线；未钝化前的乘波体纵向截面曲线由前缘点、上表面曲线和下表面曲线连接而成；设对乘波体的上表面沿法向抬升高度h，抬升后的乘波体上表面端点为P1，抬升后的乘波体下表面端点为乘波体未钝化前的原始前缘点P0；抬升后的乘波体纵向截面曲线由上表面曲线、下表面曲线以及钝化前缘曲线连接而成，其中上表面曲线和下表面曲线即是未钝化前的乘波体纵向截面曲线上的上表面曲线以及和下表面曲线，因此是已知的，钝化前缘曲线是待求解的；抬升后的乘波体上表面端点P1是上表面曲线上的点，抬升后的乘波体下表面端点P0是下表面曲线上的点；S2获取抬升后的乘波体前缘点P2的插值条件；抬升后的乘波体前缘点P2的插值条件为抬升后的乘波体下表面端点P0处的切矢v0、曲率k0和抬升后的乘波体上表面端点P1处切矢v1和曲率k1；S3给出抬升后的钝化前缘曲线上不同横向站位处的钝化半径；S4设置抬升后的乘波体前缘点P2以及乘波体的上表面沿法向抬升高度h；S5求出所有钝化前缘曲线，然后放样得到钝化前缘曲面。...

【技术特征摘要】
1.一种半径可控的参数化三维前缘钝化设计方法，其特征在于：首先给定初始乘波体外形，然后对初始乘波体外形中的尖锐前缘进行钝化，包括以下步骤：S1将乘波体上表面抬升一定高度；给定初始乘波体外形，即已知乘波体未钝化时的原始前缘点为P0和未钝化前的乘波体纵向截面曲线；未钝化前的乘波体纵向截面曲线由前缘点、上表面曲线和下表面曲线连接而成；设对乘波体的上表面沿法向抬升高度h，抬升后的乘波体上表面端点为P1，抬升后的乘波体下表面端点为乘波体未钝化前的原始前缘点P0；抬升后的乘波体纵向截面曲线由上表面曲线、下表面曲线以及钝化前缘曲线连接而成，其中上表面曲线和下表面曲线即是未钝化前的乘波体纵向截面曲线上的上表面曲线以及和下表面曲线，因此是已知的，钝化前缘曲线是待求解的；抬升后的乘波体上表面端点P1是上表面曲线上的点，抬升后的乘波体下表面端点P0是下表面曲线上的点；S2获取抬升后的乘波体前缘点P2的插值条件；抬升后的乘波体前缘点P2的插值条件为抬升后的乘波体下表面端点P0处的切矢v0、曲率k0和抬升后的乘波体上表面端点P1处切矢v1和曲率k1；S3给出抬升后的钝化前缘曲线上不同横向站位处的钝化半径；S4设置抬升后的乘波体前缘点P2以及乘波体的上表面沿法向抬升高度h；S5求出所有钝化前缘曲线，然后放样得到钝化前缘曲面。2.根据权利要求1所述的半径可控的参数化三维前缘钝化设计方法，其特征在于：S2中，对上表面曲线进行均匀离散，获得多个离散点，获得的多个离散点中包括抬升后的乘波体上表面端点P1，对多个离散点进行差分，能够获得抬升后的乘波体上表面端点P1的1阶和2阶导矢，进而获得抬升后的乘波体上表面端点P1处的切矢v1和曲率k1；同样的，对下表面曲线进行均匀离散，获得多个离散点，获得的多个离散点中包括抬升后的乘波体上表面端点P1，对多个离散点进行差分，能够获得抬升后的乘波体下表面端点P0的1阶和2阶导矢，进而获得抬升后的乘波体下表面端点P0处的切矢v0和曲率k0。3.根据权利要求2所述的半径可控的参数化三维前缘钝化设计方法，其特征在于：S3中，未钝化前的乘波体前缘曲线已知，故前缘曲线上各横向站位处的前缘后掠角已知，前缘曲线上各横向站位均一一对应钝化前缘曲线上的横向站位，钝化前缘曲线上各横向站位处的当地前缘后掠角与前缘曲线上与之对应的横向站位处的当地前缘后掠角看作相同，即钝化前缘曲线上各横向站位处的当地前缘后掠角λ已知；设定抬升后的乘波体前缘点P2处的前缘钝化半径，由预先设定的抬升后的乘波体前缘点P2处的前缘钝化半径和钝化前缘曲线上各横向站位处的当地前缘后掠角λ来确定抬升后的钝化前缘曲线上各横向站位处的前缘钝化半径，如式(3)所示：rswept＝rsymmetry(cosλ)2.2(3)其中，rswept为钝化前缘曲线上各横向站位处的前缘钝化半径；rsymmetry为预先设定的抬升后的乘波体前缘点P2处的前缘钝化半径。4.根据权利要求3所述的半径可控的参数化三维前缘钝化设计方法，其特征在于：S4中，抬升后的乘波体前缘点P2和乘波体的上表面沿法向抬升高度h的设置应满足以下两个要求：1)抬升后的乘波体前缘点P2和乘波体的上表面沿法向抬升高度h的设置能使乘波体钝化前缘曲线能够成功生成；2)抬升后的乘波体前缘点P2的曲率大于乘波体钝化前缘曲线上各横向站位处的曲率。5.根据权利要求3所述的半径可控的参数化三维前缘钝化设计方法，其特征在于：S4中，乘波体的上表面沿法向抬升高度h设置为当地前缘钝化半径的1～2倍；抬升后的乘波体前缘点P2设置在上表面曲线以及下表面曲线的延长线所构成夹角的角平分线上，抬升后的乘波体前缘点P2距P0点的水平距离l可由式(4)得出：l＝rswept/cosλ(4)其中，rswept为当地前缘钝化半径。6.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：符翔，柳军，王晓燕，丁峰，李开，刘珍，闻讯，陈韶华，张宝虎，罗仕超，吴世超，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43