无人机设计仿真--在Isight平台上进行的基于CST参数化+Xfoil的无人机翼型优化

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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19天前浏览10527

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了翼型优化设计的方法和流程。翼型优化设计通常以升阻比为目标，但在小型无人机低雷诺数飞行时，应以功率因子为优化目标，以减小功耗。翼型优化设计流程包括参数化、流场计算、优化设计等步骤。翼型参数化采用CST参数化方法，流场计算采用Xfoil软件，优化设计采用iSIGHT软件。优化设计过程中，需要设置优化目标函数、翼型参数上下限等参数。优化设计完成后，需要对结果进行验证。翼型优化设计适用于航空类在校学生、机设计工程师、航模爱好者等。

一、工程背景

翼型的选型和设计是飞行器气动设计中的一项基础性工作，翼型对飞行器的气动性能具有根本性的影响。现在高性能飞行器已不再从翼型库中选择适用翼型后直接使用，而是以现有翼型作为基准翼型进行气动优化，获得能满足飞行器性能要求的专用翼型。

二、案例描述

基于小型无人机常用的Clark-Y翼型为基础翼型，对其进行单点优化设计，使得其在RE=300000、迎角为0的时候升阻比增加。

Clark-Y翼型

三、优化流程

在进行翼型优化之前，需要对翼型进行参数化。CST参数化方法是近年来新出现的一种基于翼型种类函数和形状函数变换相结合的参数化表示方法（Class function/Shape function Transformation，CST），它依靠一个类函数来控制所表示的翼型的种类，再通过一个确定的形状函数来表示类函数所限定的翼型族中的一个具体翼型。

该方法使用形函数系数作为设计变量，在使用较少设计变量的情况下，能够精确地描述翼型的几何外形，该方法可以简述为公式。

式中：

其中，

为翼型的类函数，参数:

分别取1，0.5；

为部件形函数，n为其阶数；表示与部件形函数相关的二项式系数。

初始翼型参数化后的系数

翼型优化时所涉及的流场计算方法，主要有：

1、利用Xfoil程序进行流场计算，

2、利用CFD方法计算。

Xfoil软件是麻省理工学院的Mark Drela博士基于位势流理论加上黏性修正理论为设计和分析亚音速飞机独立翼型编写的互动式的开源软件，该软件也能做低雷诺数翼型气动特性的计算，且其可靠性经过了广泛验证，是国外进行低雷诺数翼型设计的主要工具。由于具有计算效率高，速度快等优点，近年来在学术界和工业界得到了广泛应用。由于CFD方法相对耗时，所以为了提高计算效率，采用Xfoil软件进行流场计算。

Xfoil计算的翼型结果输出文件

iSIGHT软件是一个基于Windows NT和Unix平台的多学科综合设计优化平台，通过将数字技术、推理技术和设计探索技术有效融合，形成了一个完整的设计开发环境。iSIGHT强大的图形化界面，用户通过它可以进行产品设计的过程集成、数据集成、优化设计和自动化求解工作，能使产品、设计团队、多个学科、多个软件工具之间协同工作。

四、操作流程

在翼型的优化设计阶段，给定优化目标函数，其表达式为：

式中：以0度的升阻比最大值为目标，同时限制翼型最大厚度和最小厚度值的上下限，以避免在优化过程中可能产生的机翼变形病态化。

图4-1基于CST参数化的翼型优化流程

采用iSIGHT软件，将翼型参数化模块CST生成的翼型导入到Xfoil模块进行气动计算，最后由计算优化函数模块Function输出目标参数，采用序列二次规划算法进行优化，流程如图4-1。由于采用Xfoil计算，流场计算时间成本在可接受范围之内，所以不采用代理模型。

五、结果验证

可以看出，优化后的翼型在0度的时候，阻力系数基本不变，升力系数明显增加，升阻比增加。说明优化达到了预期。

六、关于小型无人机用低雷诺数翼型优化的思考

传统的翼型气动优化目的一般是为了获取最优升阻比，以提高翼型的气动效率。小型电动无人机多在低雷诺数范围内飞行，该类飞行器不仅雷诺数低，而且驱动动力能源非常有限，长航时的追求是此类飞行器的研制重点。因此，对翼型的优化应从减小功耗方面考虑。低速飞机在飞行过程中的简化功率公式为：

其中功率因子定义为：

升阻比为：

与功率因子

的公式形式接近，但最大升阻比并不对应着最大功率因子。从公式可以看出翼载荷

和功率因子

决定了飞行器的飞行功耗。翼载荷固定时，功率因子越大，飞机功耗就越小，飞行时间也越长，因而低雷诺数翼型以功率因子为优化目标更具实际意义。

七、写在文后

本文仅作为利用Isight进行翼型优化分析的一个简易案例应用，文中涉及到的参数仅用于演示，无法应用于工程实际。限于作者水平和软件操作习惯等因素，错误必然很多，对于文中不正确的地方，欢迎大家批评指正（本文部分内容摘自本人已发表论文）。此外，笔者已经在仿真秀官网发布了原创的精品视频教程《在Isight平台上进行的基于CST参数化+Xfoil的无人机翼型优化》，现已经更新完结，以下是我讲课内容：

在Isight平台上进行的基于CST参数化+Xfoil的无人机翼型优化
序号	讲课大纲
1	翼型优化-课程概述
2	翼型优化-CST翼型参数化和Xfoil气动计算模块准备
3	翼型优化-Isight集成和优化设置
4	翼型优化-课程总结和注意事项