【技术实现步骤摘要】
一种基于代理模型的抗击水飞行器近似优化方法
[0001]本专利技术涉及一种基于代理模型的抗击水飞行器近似优化方法，属于跨介质飞行器、航行器领域。
技术介绍
[0002]跨介质飞行器由于同时具有空中快速飞行、水下低速巡航等特点，近年来受到了国内外科研机构的广泛关注，在海洋环境污染监测、水生种群迁移监测、新型海上作战等领域具有较好应用前景。然而，由于受复杂海况、传感器测量误差等影响，跨介质飞行器在低空掠海飞行时击水概率极高，加剧了击水结构损毁的风险，因此有必要开展抗击水飞行器设计优化，通过设计合理的抗击水构型降低飞行器击水冲击载荷。同时，由于飞行器击水过程需通过流固耦合分析获取运动学参数，显著增加了仿真计算成本；传统的优化方法(如遗传算法、粒子群算法等)往往需要直接调用上千次的分析模型实现对设计空间的探索，并不适用于涉及高耗时分析模型的抗击水飞行器设计优化问题。因此，为克服传统方法的局限性，十分有必要发展一种基于代理模型的抗击水飞行器近似优化方法，通过代理模型近似飞行器击水流固耦合分析模型，从而提高优化效率、缩短设计周期，在总体...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于代理模型的抗击水飞行器近似优化方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤A：确定抗击水飞行器工况、外形、载荷条件；步骤B：结合常规飞行器与水上滑行艇的结构特点，构建抗击水飞行器构型；该构型顶部为常规飞行器旋成体，底部采用两段式滑行面构型，底部构型以龙骨线所在平面形成面对称构型；在高速击水时以艏部滑行面触水方式降低飞行器的浸湿面积，从而减少飞行器击水的冲击过载，同时降低击水速度损失与出水俯仰角，提升击水复飞弹道稳定性；所述抗击水飞行器构型通过13个控制点实现几何外形唯一表征，即实现抗击水飞行器几何参数化模型构建；13个控制点的空间位置由以下参数确定：艏部长度与总长的比值、前部长度与总长的比值、中部长度与总长的比值、最大宽度与总长的比值、底部型深与总长的比值、艏部倾角、前部倾角、艏部滑行面宽度与最大宽度的比值、前部滑行面宽度与最大宽度的比值、中部滑行面宽度与最大宽度的比值、艏部滑行面倾角、前部滑行面倾角、中部滑行面倾角、艏部宽度与最大宽度的比值、前部宽度与最大宽度的比值；步骤C：基于结构化拉格朗日
‑
欧拉法建立飞行器击水过程的流固耦合分析模型，通过构建空气
‑
水域结构化网格，在飞行器击水位置附近以及空水交接面处划分精细化网格，从而防止流固耦合分析过程中液体渗漏现象、提升飞行器击水过程的流固耦合分析效率；步骤D：构建抗击水飞行器优化问题模型，以飞行器构型参数为优化变量，在满足抗击水飞行器约束条件下，使得抗击水飞行器的击水最大冲击过载最小；所述抗击水飞行器约束条件包括水平速度损失、出水俯仰角、各部位截面半径、出水垂直速度；步骤E：采用代理模型辅助差分进化算法对抗击水飞行器优化问题进行优化，优化问题中约束函数和目标函数由步骤B、步骤C确定；以击水最大冲击过载最小为优化目标，通过对抗击水飞行器几何参数进行优化，在满足抗击水飞行器速度损失、出水俯仰角、各部位截面半径、出水垂直速度约束条件下，优化得到抗击水飞行器构型优化参数；优化过程主要分为全局探索与局部搜索两个阶段：在全局探索阶段，通过KRG代理模型提供的抗击水飞行器击水冲击过载预测方差，构建基于约束改善度与最优适应度的可行准则，从而引导最优构型解附近收敛；在局部搜索阶段，为了有效折中代理模型的鲁棒性、近似精度与构造效率，采用RBF构造抗击水飞行器局部优化问题并结合序列二次规划方法求解，从而提高优化收敛速度。2.如权利要求1所述的一种基于代理模型的抗击水飞行器近似优化方法，其特征在于：还包括步骤F，根据步骤E得到的抗击水飞行器构型优化参数制造抗击水飞行器，通过滑行艇滑行面底部构型尽可能降低高速击水时飞行器的冲击过载，降低由于复杂海况或传感器误差导致击水损毁的风险，同时通过降低击水导致的水平速度损失与出水时刻俯仰角，提升击水复飞弹道稳定性。3.如权利要求1或2所述的一种基于代理模型的抗击水飞行器近似优化方法，其特征在于：步骤A实现方法如下，步骤A
‑
1：确定抗击水飞行器外形；为保证飞行器在掠海飞行时具有足够升力，击水时降低阻力的目标，采用可变后掠机翼，机翼弦长L
ch
与展长L
sp
根据在飞行速度V、飞行高度h条件下的升力需求确定；步骤A
‑
2：确定抗击水飞行器内部载荷；为平衡飞行器掠海飞行所受阻力，推进方式采用固体推进；飞行器内部由尾部至机头分别安装推进剂、载荷、舵机、传感器、电源组件、导
引头，通过设置艏部半径最小阈值R
bow,min
，尾部半径最小阈值R
rear,min
和尾部半径最大阈值R
rear,max
，保证飞行器各段内部容积需求。4.如权利要求3所述的一种基于代理模型的抗击水飞行器近似优化方法，其特征在于：步骤B实现方法如下：步骤B
‑
1：构建抗击水飞行器构型，其中顶部为常规飞行器旋成体，底部采用两段式滑行面构型，底部构型以龙骨线所在平面形成面对称构型；所述抗击水飞行器构型通过13个控制点实现几何外形唯一表征，即实现抗击水飞行器几何参数化模型构建；步骤B
‑
2：以控制点P4为几何外形坐标原点，则有x
P4
＝y
P4
＝z
P4
＝0；坐标系定义为：指向飞行器头部为x轴正方向，竖直向上为z轴正方向，y轴垂直于xP4z平面，满足右手定则位置为y轴正方向；步骤B
‑
3：根据坐标系定义，龙骨线P0P1P2P3P4上点P0至点P4的y轴坐标均为0，则有y
P0
＝y
P1
＝y
P2
＝y
P3
＝y
P4
＝0；点P0的x轴坐标x
P0
、z轴坐标z
P0
根据式(5)计算得到；式中，L为飞行器总长；H为飞行器底部型深；α
H
为底部型深与总长的比值；步骤B
‑
4：点P1的x轴坐标x
P1
、z轴坐标z
P1
由式(6)计算得到；式中，L
b
为艏部长度；α
Lb
为艏部长度与总长的比值；为艏部倾角；根据式(7)得到点P2的x轴坐标x
P2
、z轴坐标z
P2
；式中，L
f
为前部长度；α
Lf
为前部长度与总长的比值；为前部倾角；点P3的z轴坐标z
P3
为0，其x轴坐标x
P3
由式(8)计算得到；x
P3
＝x
P2
‑
L
m
＝(1
‑
α
Lb
‑
α
Lf
‑
α
Lm
)
×
L (4)式中，L
m
为中部长度；α
Lm
为中部长度与总长的比值；点P0至点P3通过四次样条曲线连接，并在点P3处与直线P3P4相切，样条曲线P0P1P2P3与直线P3P4构成龙骨线P0P1P2P3P4；步骤B
‑
5：点P6、点P8、点P
10
、点P
12
的z轴坐标均等于z
P0
，具体如式(9)所示，所述z轴坐标分别表示为z
P6
、z
P8
、z
P10
、z
P12
；z
P6
＝z
P8
＝z
P10
＝z
P12
＝z
P0
＝α
H
·
L (5)点P6、点P8、点P
10
、点P
12
的y轴坐标根据式(10)～式(12)计算得到，所述y轴坐标分别表示为y
P6
、y
P8
、y
P10
、y
P12
；；
式中，L
wb
、L
wf
与L
wm
分别为艏部、前部与中部宽度；γ
Wb
与γ
Wf
分别为艏部、前部宽度与最大宽度的比值；W为最大宽度；α
W
为最大宽度与总长的比值；步骤B
‑
6：点P5的y轴坐标y
P5
与z轴坐标z
P5
根据式(13)计算得到式中，L
sb
为艏部滑行面宽度；η
sb
为艏部滑行面宽...
【专利技术属性】
技术研发人员：龙腾，叶年辉，史人赫，孙景亮，李昊达，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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