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飞机燃油质量特性计算的截面自适应分割法

宋伟 钟若瑛

宋伟, 钟若瑛. 飞机燃油质量特性计算的截面自适应分割法[J]. 北京航空航天大学学报, 2020, 46(3): 505-514. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0280
引用本文: 宋伟, 钟若瑛. 飞机燃油质量特性计算的截面自适应分割法[J]. 北京航空航天大学学报, 2020, 46(3): 505-514. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0280
SONG Wei, ZHONG Ruoying. Adaptive cross-section segmentation method for aircraft fuel mass properties calculation[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2020, 46(3): 505-514. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0280(in Chinese)
Citation: SONG Wei, ZHONG Ruoying. Adaptive cross-section segmentation method for aircraft fuel mass properties calculation[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2020, 46(3): 505-514. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0280(in Chinese)

飞机燃油质量特性计算的截面自适应分割法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0280
详细信息
    作者简介:

    宋伟, 男, 硕士, 讲师。主要研究方向:三维数字化设计、视景仿真

    钟若瑛, 女, 硕士, 高级工程师, 硕士生导师。主要研究方向:飞机燃油系统设计

    通讯作者:

    钟若瑛, E-mail: 670959480@qq.com

  • 中图分类号: V228.3;TP391.9

Adaptive cross-section segmentation method for aircraft fuel mass properties calculation

More Information
  • 摘要:

    针对飞机燃油系统方案设计阶段截面连续变化的飞机油箱,提出了具有截面自适应性的燃油质量特性计算方法。首先根据飞行姿态和过载计算油面法向量,确定最低油面位置;然后根据等效燃油实体确定分割步长进行首次分割,并根据截面面积的变化情况,通过后续分割对误差进行补偿,直至分割精度达到预设精度阈值要求;最后对分割后的燃油实体进行燃油质量特性测量和计算。针对某型无人机燃油系统中多种不同类型的截面连续变化油箱进行仿真验证,表明该方法具有截面自适应性,且相比共轭梯度寻优算法,能够在保证计算精度的情况下,计算效率提升71.43%~92.31%,适用于飞机燃油系统方案设计阶段通过燃油质量特性计算快速准确地判断设计方案在重心方面的可行性。

     

  • 图 1  截面自适应分割法流程

    Figure 1.  Flowchart for adaptive cross-section segmentation method

    图 2  燃油实体模型

    Figure 2.  Fuel solid model

    图 3  机体坐标系

    Figure 3.  Airframe coordinate system

    图 4  参考基准元素

    Figure 4.  Reference benchmark elements

    图 5  燃油实体分割流程图

    Figure 5.  Flowchart for fuel entity segmentation

    图 6  仿真验证的技术路线

    Figure 6.  Technical route for simulation verification

    图 7  截面连续变化的飞机油箱

    Figure 7.  Aircraft fuel tank with continuously varying cross section

    图 8  分割误差曲线

    Figure 8.  Segmentation error curves

    图 9  分割次数对比

    Figure 9.  Comparison of number of segmentation

    图 10  分割误差对比

    Figure 10.  Comparison of segmentation error

    表  1  精度等级

    Table  1.   Accuracy levels

    精度等级 误差计算公式
    1级 ±(4%ind+2%fq)
    2级 ±(2%ind+0.75%fq)
    3级 ±(1%ind+0.5%fq)
    注:ind—指示值;fq—满油量。
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    表  2  飞机燃油质量特性计算参数

    Table  2.   Parameters of aircraft fuel mass properties calculation

    序号 参数 描述 赋值计算
    方法
    1 Vtotal 满油状态时燃油实体模型的总体积 测量赋值
    2 m 分割完成后的燃油实体质量
    3 x 分割完成后的燃油实体重心x坐标
    4 y 分割完成后的燃油实体重心y坐标
    5 z 分割完成后的燃油实体重心z坐标
    6 Vtarget 指定剩余油量 人为指定
    7 n 精度调节指数
    8 Vacc 精度阈值 公式关系
    计算
    9 HMax 分割平面最大偏移高度
    10 hi i次分割的分割平面偏移高度
    11 hi-1 i-1次分割的分割平面偏移高度
    12 Δhi i次分割的分割步长
    13 Vi i次分割后的燃油实体体积
    14 ΔVi i次分割后的油量差值
    15 Si i次分割后的截面面积
    16 Na 截面自适应分割法的分割次数 系统计数
    17 Ng 共轭梯度寻优算法的分割次数
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    表  3  实际剩余油量及精度等级误差

    Table  3.   Actual remaining fuel and error corresponding to different accuracy levels

    剩余
    油量/%
    实际剩余油量/L 精度等级误差/L
    油箱1 油箱2 油箱3 油箱1 油箱2 油箱3
    1级 2级 3级 1级 2级 3级 1级 2级 3级
    90 283.437 351.021 98.635 17.636 8.031 4.409 21.841 9.946 5.460 6.137 2.795 1.534
    80 251.944 312.018 87.675 16.376 7.401 4.094 20.281 9.166 5.070 5.699 2.575 1.425
    70 220.451 273.016 76.716 15.117 6.771 3.779 18.721 8.385 4.680 5.261 2.356 1.315
    60 188.958 234.014 65.756 13.857 6.141 3.464 17.161 7.605 4.290 4.822 2.137 1.206
    50 157.465 195.012 54.797 12.597 5.511 3.149 15.601 6.825 3.900 4.384 1.918 1.096
    40 125.972 156.009 43.838 11.337 4.881 2.834 14.041 6.045 3.510 3.945 1.699 0.986
    30 94.479 117.007 32.878 10.078 4.252 2.519 12.481 5.265 3.120 3.507 1.480 0.877
    20 62.986 78.005 21.919 8.818 3.622 2.205 10.921 4.485 2.730 3.069 1.260 0.767
    10 31.493 39.002 10.959 7.558 2.992 1.890 9.361 3.705 2.340 2.630 1.041 0.658
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    表  4  分割平面最大偏移距离

    Table  4.   Maximum offset distance of segmentation plane

    油箱1最大偏移距离/mm 油箱2最大偏移距离/mm 油箱3最大偏移距离/mm
    油面法
    向量A
    油面法
    向量B
    油面法
    向量C
    油面法
    向量A
    油面法
    向量B
    油面法
    向量C
    油面法
    向量A
    油面法
    向量B
    油面法
    向量C
    834.300 927.187 925.413 552.067 671.856 662.010 208.815 301.095 595.075
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    表  5  第1次分割后剩余油量误差及精度等级

    Table  5.   Remaining fuel error and accuracy levels after the first segmentation

    剩余
    油量/%
    油箱1剩余油量误差/L 油箱2剩余油量误差/L 油箱3剩余油量误差/L
    油面法
    向量A
    油面法
    向量B
    油面法
    向量C
    油面法
    向量A
    油面法
    向量B
    油面法
    向量C
    油面法
    向量A
    油面法
    向量B
    油面法
    向量C
    90 8.164(1) 21.403 16.225(1) 9.453(2) 34.149 18.800(1) 9.219 9.051 9.677
    80 8.230(1) 20.998 18.019 4.217(3) 54.758 18.653(1) 12.632 13.198 14.291
    70 7.058(1) 15.881 12.154(1) -3.095(3) 60.693 6.303(2) 12.511 13.872 13.048
    60 5.065(2) 9.568(1) 4.506(2) -11.210(1) 51.788 -12.855(1) 10.319 11.346 7.912
    50 2.658(3) 2.654(3) -3.695(2) -19.684 33.735 -33.268 7.341 5.780 2.929(1)
    40 0.250(3) -4.260(2) -11.791 -28.079 14.309 -51.858 4.335 -1.627(2) -1.900(1)
    30 -1.743(3) -10.573 -19.126 -35.931 -5.026(2) -62.699 1.328(2) -8.259 -6.615
    20 -2.915(2) -15.697 -24.558 -40.861 -23.051 -58.543 -1.675(1) -10.927 -10.105
    10 -2.872(2) -17.965 -20.480 -29.680 -25.692 -35.924 -3.890 -8.563 -8.245
    注:括号()内数字为精度等级,未标注精度等级的说明未能达到1级精度。
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  • 收稿日期:  2019-06-05
  • 网络出版日期:  2020-03-20

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