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

作者：Graychen

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：

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：

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

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