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基于XFLR5的無人機氣動分析

XFLR是一款強大的開源的機翼模拟分析工具,它基于Qt開發,擁有友好使用者界面,使用XFoil作為求解器,包含直接和逆向分析能力,基于升力線法、渦格法和3D面元法的機翼設計和分析,是一個為設計和分析亞音速飛機獨立翼型編寫的互動式的程式,可用于分析翼型(2D)和機翼、甚至整個飛機(3D)氣動力的模拟。

我們這裡采用國内某款無人機的大緻資料(注意不是真是資料)進行整個過程的展示。開啟後初始界面如下。

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一. 翼型分析

打開XFLR,在File下拉菜單中點選Direct Foil Design(直接設計翼型),即可打開翼型設計的視窗。該視窗預設顯示一個翼型Spline foil。如下圖

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在Foil(翼型)菜單中選擇Naca Foils(Nace翼型),彈出一個翼型選擇對話框“4 or 5 digits”的意思是四位或五位翼型,輸入0012,Number of Panels為确定翼型輪廓線的點的數目,保持100不變。Number of Panels為确定翼型輪廓線的點的數目,保持100不變,點選OK确定。0012翼型為對稱翼型,通常情況下亞音速常用的翼型之一是NACA4412。

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在彈出的對話框中繼續點選确定。

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點選确定後,顯示翼型如下圖。

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對于翼型的外觀有改變的需求,可以點選對應翼型的style欄進行修改,如下圖。

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經過修改得到如下圖。

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在上圖中,Thickness欄代表該翼型最大厚度和長度的比值,緊接着後面的at表示該最大厚度出現在從前往後29.03%的位置。

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設定副翼和方向舵

選取NACA 4412翼型,點選上方菜單欄Foil->Set Flap,進入副翼設計模式。L.E.Flap表示前緣襟翼,T.E.Flap表示後緣縫翼,這裡選擇後緣。設定角度,我們設定副翼最大偏轉角度為上下各30度。

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然後給它一個命名,表明是向下30度。

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直接分析翼型

在翼型建立完成後,開始分析翼型。

選擇直接翼型分析。

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點選菜單欄Analysis->Define an Analysis

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命名的含義是:“T1”為軟體自動編号;“Re0.100”為對應的雷諾數;“M0.00”為對應的馬赫數,一般我們設計的都是低速的飛機,馬赫數基本都為零;“N9.0”表示對應的Ncrit值為9,在此選預設的值即可。

分析設定框完成使能

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然後在設定框設定攻角起止角度,然後點選Analysis進行分析

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攻角在4.5度左右,達到最大升阻比

同樣的對NACA 4412翼型進行分析,得到下圖中亮黃色曲線。

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可以看到由于4412翼型為非對稱翼型,故其在正負攻角上的升阻比是非對稱的,并且在正向攻角時有更大的升阻比。

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批量分析

選擇Multi-threaded Batch Analysis,進行多個雷諾數的分析

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批量計算

選擇Foil List 後點選Foil List鍵,彈出目前的翼型清單,如下圖。

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需要将所有翼型加入分析

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調整雷諾數的範圍,進行分析。需要注意的是一般的航模級别的雷諾數一般為幾萬到數十萬,而翼龍級别的雷諾數為百萬級别到千萬級别。這裡我們設定雷諾數從15萬到350萬的範圍進行計算,進而為後續的氣動分析打下基礎。若是沒有選擇正确的雷諾數,後續整機氣動計算的時候,會因為飛行狀态未在飛行包線内而發生錯誤。

二. 飛機設計

打開XFLR,在菜單欄選擇File->Wing and Plane Design,如下圖。

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彈出飛機和翼型設計界面,如下圖。

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在菜單欄點選Plane->Define a New Plane,如下圖。

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點選後彈出對話框,涉及一系列飛機的氣動要求,如下圖。

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該圖中,主要含義如下圖:

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機身設計

勾選Body欄目,并在點選Actions下拉菜單,選擇Edit,如下圖,開始設計機身。可以看到除了Edit以外,還有Define、Import from another XML file、Import from another plane等方式進行設計。這裡嘗試過導入通過Simscape插件生成的無人機三維XML檔案,但是提示格式不正确。這裡繼續用Edit,進行編輯。

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Edit模式下的設計圖如下。

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可以看出,整個機身是通過Frame Positions(架構點位)來确定機身外觀的,在此基礎上又分為平闆(Flat Panels)和BS樣條曲線拟合兩種方式。通過設定每一組架構點位,來對整個機身外觀進行設計。編輯架構點位有兩種方式,一是通過文本框手動輸入參數,二是通過拖拽右上角圖像中對應點位位置,如下兩圖。

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對每組點位進行設計,最終完成機身設計,如下圖。這裡設計的機身總長為3.5m,稍小于真實翼龍飛機長度。

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機翼設計

接下來進行機翼設計。

機翼設計主界面如下圖。

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主要參數如下:

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設定好翼型過後,整個機翼和機身三維外觀如下圖。翼展取5m,弦長為最大0.45m,最小0.3m。翼型中點選進入下拉菜單,選擇我們在上一節中定義的NACA 4412翼型。

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垂尾設計

翼龍無人機的升降舵和方向舵合并設計為了V型垂尾,這裡我們就不勾選升降舵,而在方向舵選項中選擇“雙垂尾”,并添加垂尾的扭轉角。這裡我們設定垂尾長度1m,最大弦長0.3m,翼型選擇NACA 0010。

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至此,整個飛機的大緻氣動外形就完成了。

三. 氣動分析

在菜單欄中選擇Analysis->Define an analysis,打開分析界面。

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該界面中大緻參數如下:

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一般我們采用定速分析;取翼龍最大飛行速度100m/s。其他選項采用預設即可。這裡提醒一下,在上圖中右下角有兩個數值,Tip Re和Root Re,這就是在目前速度下推薦的雷諾數。這個數應該在前面部分翼型分析時所分析到的雷諾數範圍内的。

點選Save後整個界面如下圖。

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定義機體慣性特性

在主界面中右擊選擇Current Plane->Define Inertia,定義飛機的慣性參數,如下圖。

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彈出慣性參數設定界面如下圖。其中,Main Wing 為主機翼參數;Fin為V型垂尾參數;Body為機身參數。Additional Point Mass欄内,可以添加機體上可以将其處理為質點的集中載荷,比如高密度電池、武器挂架等。

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首先定義機翼的慣性參數,點選Main Wing進入機翼慣性參數設定界面,如下圖。

需要說明的是,本文中的所有關于翼龍的參數都是網上查找資料并經過一些處理的,并非翼龍本身的參數,比如機身長度、翼展、品質等,是以在後期分析深入過程中,可能會遇到氣動設計疊代出錯的問題,需要屆時進行參數調整。

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機翼總重設定為100kg,另外在機翼左右兩邊離中心分割面0.5m處分布一處集中載荷,為武器下挂架。可以看到,設定完成後,重心位置、總重、轉動慣量等特性也自動計算好了。

接下來定義垂尾參數。這裡我們給垂尾品質設為20kg,沒有其他多餘集中品質。如下圖。

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繼續設定機體的參數。機身整體品質給200kg,另外在(-0.8,0)處有重15kg的前主起,在(0.8,0.1)和(0.8,-0.1)處有後起落架,其品質分别為10kg,設定如下圖。

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在飛機機頭位置,有分别為20kg的雷達和飛控盒。這樣飛機的總重為495kg,如下圖。

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接下來就可以進行分析了。在Plane analysis中,勾選Sequence,設定分析的攻角起止角度,如下圖,然後點選Analyze。

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氣動分析結果展示

點選Analyze後,軟體完成分析。勾選不同的顯示項,檢視不同的分析結果。

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勾選Cp,顯示飛機機翼的壓力系數,如下圖。

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勾選Lift,檢視機翼升力情況,如下圖。

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勾選Downwash,檢視下洗,如下圖。

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勾選Stream,檢視氣流,如下圖。可以看到在機翼翼尖存在翼尖渦。

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