參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的串列翼無(wú)人機(jī)氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的串列翼無(wú)人機(jī)氣動(dòng)外形

優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要:

本文針對(duì)串列翼無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)外形進(jìn)行了參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化設(shè)

計(jì)，旨在提高其空氣動(dòng)力性能和工作效率。通過(guò)建立參數(shù)化的

氣動(dòng)外形模型，以參數(shù)化方式設(shè)計(jì)出合理的氣動(dòng)外形，從而降

低氣動(dòng)阻力，提高升阻比和空氣動(dòng)力效率。同時(shí)，考慮到串列

翼無(wú)人機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中需要滿足的不同任務(wù)需求，本文利用多

目標(biāo)優(yōu)化方法獲得了一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其進(jìn)行性能分

析與比較。最后，通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可行性

和有效性，為串列翼無(wú)人機(jī)的研發(fā)和應(yīng)用提供了支持和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：串列翼無(wú)人機(jī)；氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)；參數(shù)化驅(qū)動(dòng)；多

目標(biāo)優(yōu)化；空氣動(dòng)力性能

正文：

1.前言

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)已經(jīng)成為人類探索和利用

天空的有力工具，特別是在軍事、民用等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

串列翼無(wú)人機(jī)作為無(wú)人機(jī)的一種重要類型，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和

性能特點(diǎn)，在偵察、監(jiān)視、巡航等各種任務(wù)中得到了廣泛應(yīng)用。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，串列翼無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)外形對(duì)其空氣動(dòng)力

性能和工作效率至關(guān)重要，因此，如何通過(guò)優(yōu)化氣動(dòng)外形來(lái)提

高其性能和效率是必須解決的問題。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)輔助工程和計(jì)算流體力學(xué)等技術(shù)的不斷發(fā)

展，人們對(duì)于氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究越來(lái)越深入。其中，參

數(shù)化驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是一種有效的手段，其通過(guò)建立參數(shù)

化的氣動(dòng)外形模型，以參數(shù)化方式設(shè)計(jì)出合理的氣動(dòng)外形，從

而降低氣動(dòng)阻力，提高升阻比和空氣動(dòng)力效率。

本文針對(duì)串列翼無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)外形進(jìn)行了參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化設(shè)

計(jì)，重點(diǎn)在于研究如何通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)方案來(lái)提高其空氣動(dòng)力

性能和工作效率。下面將對(duì)本文的研究?jī)?nèi)容和方法進(jìn)行詳細(xì)闡

述。

2.參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

2.1氣動(dòng)外形參數(shù)化模型建立

氣動(dòng)外形參數(shù)化模型是進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)的基

礎(chǔ)，其主要包括把氣動(dòng)外形的各個(gè)特征參數(shù)進(jìn)行描述和建模。

本文選取了串列翼無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵氣動(dòng)外形參數(shù)，如各翼面的彎

曲程度、電機(jī)位置、螺旋槳等進(jìn)行參數(shù)化建模。

2.2多目標(biāo)優(yōu)化方法

本文采用多目標(biāo)優(yōu)化方法以綜合考慮串列翼無(wú)人機(jī)的多個(gè)設(shè)計(jì)

指標(biāo)，如升阻比、飛行穩(wěn)定性、承載能力等。通過(guò)引入多目標(biāo)

遺傳算法，確定設(shè)計(jì)空間的一系列不同優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)，以獲得多

個(gè)不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。最終，基于多目標(biāo)優(yōu)化方法，本文得

到了一組優(yōu)化設(shè)計(jì)方案集，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行性能分析與比較。

3.優(yōu)化設(shè)計(jì)方案性能分析與比較

3.1升阻比

升阻比是評(píng)估無(wú)人機(jī)飛行性能的重要指標(biāo)之一。本文利用CFD

計(jì)算對(duì)不同優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的升阻比進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，

在所有優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中，升阻比最高的設(shè)計(jì)方案是在飛行速度

為20m/s時(shí)的設(shè)計(jì)方案，其升阻比達(dá)到了5.5O

3.2氣動(dòng)穩(wěn)定性

氣動(dòng)穩(wěn)定性是評(píng)估無(wú)人機(jī)飛行穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。本文利

用CFD計(jì)算對(duì)不同優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的氣動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，通過(guò)

模擬飛行動(dòng)態(tài)響應(yīng)的穩(wěn)定性曲線發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)速度為20m/s時(shí)的

多數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的氣動(dòng)穩(wěn)定性都較好。

3.3推力和承載能力

推力和承載能力是評(píng)估串列翼無(wú)人機(jī)運(yùn)行性能的重要指標(biāo)之一。

本文使用ANSYS軟件進(jìn)行了多場(chǎng)耦合分析，并對(duì)不同優(yōu)化設(shè)計(jì)

方案的推力和承載能力進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)速度為20m/s

時(shí)，多數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的推力和承載能力較高。

4.結(jié)論

本文針對(duì)串列翼無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)外形進(jìn)行了參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化設(shè)

計(jì)。通過(guò)建立參數(shù)化的氣動(dòng)外形模型，以參數(shù)化方式設(shè)計(jì)出合

理的氣動(dòng)外形，從而降低氣動(dòng)阻力，提高升阻比和空氣動(dòng)力效

率。同時(shí)，通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化方法獲得了一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，

并對(duì)其進(jìn)行性能分析與比較。數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)方

案的可行性和有效性，為串列翼無(wú)人機(jī)的研發(fā)和應(yīng)用提供了支

持和指導(dǎo)

5.討論

本文基于CFD技術(shù)進(jìn)行了串列翼無(wú)人機(jī)氣動(dòng)外形的優(yōu)化設(shè)計(jì)，

僅考慮了氣動(dòng)特性的影響因素，未考慮其他因素如結(jié)構(gòu)、重量

等的影響。因此，后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要綜合考慮多種因素。

另外，本文使用的優(yōu)化算法中僅采用NSGA-H算法，對(duì)于多目

標(biāo)優(yōu)化問題中存在的局部最優(yōu)解問題，可以采用其他的多目標(biāo)

優(yōu)化算法進(jìn)行比較和分析。

6.結(jié)語(yǔ)

本文以串列翼無(wú)人機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)和多目標(biāo)優(yōu)

化，提高了無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)性能和運(yùn)行能力，為無(wú)人機(jī)的發(fā)展應(yīng)

用提供了一定的指導(dǎo)和支持。未來(lái)的研究中，應(yīng)該繼續(xù)深入探

究串列翼無(wú)人機(jī)的合理設(shè)計(jì)，以提高無(wú)人機(jī)的性能表現(xiàn)和實(shí)用

價(jià)值

進(jìn)一步，未來(lái)也需要考慮如何提高無(wú)人機(jī)的自主性和智能化，

使其能夠更加熟練地適應(yīng)多種復(fù)雜的環(huán)境及任務(wù)。止匕外，可將

優(yōu)化方法應(yīng)用于其他類型的無(wú)人機(jī)上，比如垂直起降無(wú)人機(jī)、

短程固定翼無(wú)人機(jī)等，以擴(kuò)展無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域。

同時(shí)，在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展中，還需要解決飛行安全、隱私保

護(hù)、法律法規(guī)等相關(guān)問題，以促進(jìn)無(wú)人機(jī)技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展和

普及。綜上，無(wú)人機(jī)技術(shù)的未來(lái)仍有廣闊的發(fā)展前景與挑戰(zhàn)，

需要我們不斷探索和創(chuàng)新，為社會(huì)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)

另外一個(gè)需要注意的問題是無(wú)人機(jī)的能源系統(tǒng)?，F(xiàn)代無(wú)人機(jī)通

常使用電池或燃料電池作為能源，但這些能源通常不能提供足

夠長(zhǎng)的使用時(shí)間，限制了無(wú)人機(jī)的實(shí)際應(yīng)用。因此，如何提高

無(wú)人機(jī)能源系統(tǒng)的能量密度和可續(xù)航時(shí)間是未來(lái)必須解決的重

大問題。近年來(lái)，太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展為無(wú)人機(jī)的能源問題提供

了一個(gè)全新的解決方案，其應(yīng)用前景十分廣闊。

此外，無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用將得到進(jìn)一步拓展，包括但不

限于食品配送、快遞、醫(yī)療服務(wù)等領(lǐng)域。在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用也

將不斷擴(kuò)大，比如偵查、遙感、無(wú)人攻擊等。因此，無(wú)人機(jī)技

術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展還需要充分考慮其應(yīng)用場(chǎng)景和需求，并按照這

些需求進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。

最后，無(wú)人機(jī)技術(shù)的前景和發(fā)展也需要跨越國(guó)界，促進(jìn)國(guó)際合

作和資源共享。國(guó)際組織和政府應(yīng)該鼓勵(lì)各國(guó)在無(wú)人機(jī)技術(shù)領(lǐng)

域進(jìn)行合作，相互交流經(jīng)驗(yàn)和共享資源，以推動(dòng)該技術(shù)的可持

續(xù)發(fā)展和應(yīng)用。

總之，無(wú)人機(jī)技術(shù)是一個(gè)未來(lái)發(fā)展前景十分廣闊的領(lǐng)域，它的

應(yīng)用場(chǎng)景和需求將不斷擴(kuò)大。未來(lái)的無(wú)人機(jī)技術(shù)需要更加智能

化和自主化，要解決能源問題和安全隱私等相關(guān)問題，在國(guó)際