本發(fā)明提供了一種高速飛行器概念設(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)質(zhì)量特性快速計(jì)算方法，屬于飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、高超聲速飛行器是指飛行速度超過5ma的飛行器，既可大大減少人員與貨物跨洲運(yùn)輸時間，又可作為高超聲速武器快速打擊遠(yuǎn)距離目標(biāo)，是航空航天領(lǐng)域當(dāng)下和未來的研究熱點(diǎn)。高超聲速飛行器幾何、氣動、結(jié)構(gòu)質(zhì)量等專業(yè)之間相互緊耦合，存在復(fù)雜的非線性關(guān)系，傳統(tǒng)航空航天飛行器的線性設(shè)計(jì)方法很難滿足設(shè)計(jì)要求，因此，飛行器多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)方法被提出，在高超聲速飛行器概念設(shè)計(jì)階段就盡可能綜合考慮飛行器幾何、氣動、結(jié)構(gòu)質(zhì)量等諸多專業(yè)的整體性能。

2、高速飛行器的結(jié)構(gòu)質(zhì)量特性是飛行器起飛總質(zhì)量的重要組成部分，高速飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)量特性計(jì)算依賴于幾何布局，需要在幾何布局設(shè)計(jì)之初就加以考慮。

3、當(dāng)前計(jì)算高速飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)量特性時，首先要確定基準(zhǔn)幾何布局，然后結(jié)構(gòu)質(zhì)量估算采用部件法，分別根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，輸入機(jī)身、機(jī)翼、尾翼等幾何外形參數(shù)來計(jì)算飛行器機(jī)身、機(jī)翼、尾翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量，從而獲得高速飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)量特性。但在飛行器設(shè)計(jì)過程中，飛行器結(jié)構(gòu)材料密度、結(jié)構(gòu)厚度等參數(shù)會對飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)量特性產(chǎn)生影響，當(dāng)前的飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)量特性計(jì)算方法并不能反映飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)量特性與結(jié)構(gòu)材料密度與結(jié)構(gòu)厚度之間的關(guān)系，將對飛行器優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來不利影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明技術(shù)解決的問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高速飛行器概念設(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)質(zhì)量特性快速計(jì)算方法，可以定量分析結(jié)構(gòu)材料密度、厚度等參數(shù)對飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響，同時可以減少高速飛行器概念設(shè)計(jì)階段多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)時間成本，提高計(jì)算效率。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

3、一種高速飛行器概念設(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)質(zhì)量特性快速計(jì)算方法，包括：

4、明確高速飛行器結(jié)構(gòu)基本構(gòu)成，所述高速飛行器包括機(jī)身、機(jī)翼、尾翼，其中機(jī)身包括隔熱層、蒙皮、隔框、桁梁；機(jī)翼和尾翼均包括隔熱層、蒙皮、翼肋、翼梁；

5、給定高速飛行器幾何外形；

6、生成高速飛行器表面網(wǎng)格；

7、導(dǎo)入網(wǎng)格并識別出機(jī)身、機(jī)翼、尾翼網(wǎng)格；

8、分別計(jì)算機(jī)身、機(jī)翼、尾翼各個構(gòu)件質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量；

9、分別計(jì)算機(jī)身、機(jī)翼、尾翼質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量；

10、計(jì)算高速飛行器結(jié)構(gòu)總質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量。

11、優(yōu)選的，生成的高速飛行器表面網(wǎng)格為四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，且該表面網(wǎng)格能夠用于飛行器氣動性能計(jì)算。

12、優(yōu)選的，導(dǎo)入網(wǎng)格是指導(dǎo)入飛行器表面網(wǎng)格所有網(wǎng)格點(diǎn)。

13、優(yōu)選的，識別出機(jī)身、機(jī)翼、尾翼網(wǎng)格的方法如下：

14、飛行器參考點(diǎn)設(shè)為頭部頂點(diǎn)，x軸在飛行器縱向?qū)ΨQ面內(nèi)，指向尾部，y軸與飛行器縱向?qū)ΨQ面垂直，指向右側(cè)，z軸滿足右手定則，指向上方；

15、機(jī)翼展向尺寸最大，機(jī)翼塊網(wǎng)格點(diǎn)y坐標(biāo)平均值最大，尾翼靠近機(jī)身尾部，尾翼塊網(wǎng)格點(diǎn)x坐標(biāo)平均值最大；通過對比各網(wǎng)格塊網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)平均值即可識別出機(jī)身、機(jī)翼、尾翼網(wǎng)格。

16、優(yōu)選的，機(jī)身構(gòu)件包括機(jī)身隔熱層、機(jī)身蒙皮、機(jī)身隔框、機(jī)身桁梁；

17、機(jī)身隔熱層質(zhì)量由構(gòu)成機(jī)身表面的網(wǎng)格單元面積之和與機(jī)身隔熱層厚度、機(jī)身隔熱層材料密度乘積得到；機(jī)身隔熱層質(zhì)心由機(jī)身隔熱層網(wǎng)格單元質(zhì)量與網(wǎng)格單元中心點(diǎn)坐標(biāo)乘積之和除以機(jī)身隔熱層質(zhì)量得到；；機(jī)身隔熱層轉(zhuǎn)動慣量是所有機(jī)身隔熱層網(wǎng)格單元相對于機(jī)身隔熱層質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之和，任一機(jī)身隔熱層網(wǎng)格單元相對于機(jī)身隔熱層質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量由機(jī)身隔熱層網(wǎng)格單元中心點(diǎn)與機(jī)身隔熱層質(zhì)心對應(yīng)轉(zhuǎn)軸的垂直距離平方乘以機(jī)身隔熱層網(wǎng)格單元質(zhì)量得到；

18、機(jī)身蒙皮質(zhì)量由構(gòu)成機(jī)身表面的網(wǎng)格單元面積之和與機(jī)身蒙皮厚度、機(jī)身蒙皮材料密度乘積得到；機(jī)身蒙皮質(zhì)心由機(jī)身蒙皮網(wǎng)格單元質(zhì)量與網(wǎng)格單元中心點(diǎn)坐標(biāo)乘積之和除以機(jī)身蒙皮質(zhì)量得到；機(jī)身蒙皮轉(zhuǎn)動慣量是所有機(jī)身蒙皮網(wǎng)格單元相對于機(jī)身蒙皮質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之和，任一機(jī)身蒙皮網(wǎng)格單元相對于機(jī)身蒙皮質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量由機(jī)身蒙皮網(wǎng)格單元中心點(diǎn)與機(jī)身蒙皮質(zhì)心對應(yīng)轉(zhuǎn)軸的垂直距離平方乘以機(jī)身蒙皮網(wǎng)格單元質(zhì)量得到；

19、機(jī)身隔框質(zhì)量由機(jī)身隔框網(wǎng)格單元長度之和與機(jī)身隔框橫截面積、機(jī)身隔框材料密度乘積得到；機(jī)身隔框質(zhì)心由機(jī)身隔框網(wǎng)格單元質(zhì)量與機(jī)身隔框長度單元中心點(diǎn)坐標(biāo)乘積之和除以機(jī)身隔框質(zhì)量得到；機(jī)身隔框轉(zhuǎn)動慣量是所有機(jī)身隔框網(wǎng)格單元相對于機(jī)身隔框質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之和，任一機(jī)身隔框網(wǎng)格單元相對于機(jī)身隔框質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量由機(jī)身隔框網(wǎng)格單元中心點(diǎn)與機(jī)身隔框質(zhì)心對應(yīng)轉(zhuǎn)軸的垂直距離平方乘以機(jī)身隔框網(wǎng)格單元質(zhì)量得到；

20、機(jī)身桁梁質(zhì)量由機(jī)身桁梁網(wǎng)格單元長度之和與機(jī)身桁梁橫截面積、機(jī)身桁梁材料密度乘積得到；機(jī)身桁梁質(zhì)心由機(jī)身桁梁網(wǎng)格單元質(zhì)量與機(jī)身桁梁長度單元中心點(diǎn)坐標(biāo)乘積之和除以機(jī)身桁梁質(zhì)量得到；機(jī)身桁梁轉(zhuǎn)動慣量是所有機(jī)身桁梁網(wǎng)格單元相對于機(jī)身桁梁質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之和，任一機(jī)身桁梁網(wǎng)格單元相對于機(jī)身桁梁質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量由機(jī)身桁梁網(wǎng)格單元中心點(diǎn)與機(jī)身桁梁質(zhì)心對應(yīng)轉(zhuǎn)軸的垂直距離平方乘以機(jī)身桁梁網(wǎng)格單元質(zhì)量得到。

21、優(yōu)選的，機(jī)翼構(gòu)件包括機(jī)翼隔熱層、機(jī)翼蒙皮、機(jī)翼翼肋、機(jī)翼翼梁；

22、機(jī)翼隔熱層質(zhì)量由構(gòu)成機(jī)翼表面的網(wǎng)格單元面積之和與機(jī)翼隔熱層厚度、機(jī)翼隔熱層材料密度乘積得到；機(jī)翼隔熱層質(zhì)心由機(jī)翼隔熱層網(wǎng)格單元質(zhì)量與網(wǎng)格單元中心點(diǎn)坐標(biāo)乘積之和除以機(jī)翼隔熱層質(zhì)量得到；機(jī)翼隔熱層轉(zhuǎn)動慣量是所有機(jī)翼隔熱層網(wǎng)格單元相對于機(jī)翼隔熱層質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之和，任一機(jī)翼隔熱層網(wǎng)格單元相對于機(jī)翼隔熱層質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量由機(jī)翼隔熱層網(wǎng)格單元中心點(diǎn)與機(jī)翼隔熱層質(zhì)心對應(yīng)轉(zhuǎn)軸的垂直距離平方乘以機(jī)翼隔熱層網(wǎng)格單元質(zhì)量得到；

23、機(jī)翼蒙皮質(zhì)量由構(gòu)成機(jī)翼表面的網(wǎng)格單元面積之和與機(jī)翼蒙皮厚度、機(jī)翼蒙皮材料密度乘積得到；機(jī)翼蒙皮質(zhì)心由機(jī)翼蒙皮網(wǎng)格單元質(zhì)量與網(wǎng)格單元中心點(diǎn)坐標(biāo)乘積之和除以機(jī)翼蒙皮質(zhì)量得到；機(jī)翼蒙皮轉(zhuǎn)動慣量是所有機(jī)翼蒙皮網(wǎng)格單元相對于機(jī)翼蒙皮質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之和，任一機(jī)翼蒙皮網(wǎng)格單元相對于機(jī)翼蒙皮質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量由機(jī)翼蒙皮網(wǎng)格單元中心點(diǎn)與機(jī)翼蒙皮質(zhì)心對應(yīng)轉(zhuǎn)軸的垂直距離平方乘以機(jī)翼蒙皮網(wǎng)格單元質(zhì)量得到；

24、機(jī)翼翼肋質(zhì)量由機(jī)翼翼肋網(wǎng)格單元面積之和與機(jī)翼翼肋厚度、機(jī)翼翼肋材料密度乘積得到；機(jī)翼翼肋質(zhì)心由機(jī)翼翼肋網(wǎng)格單元質(zhì)量與機(jī)翼翼肋網(wǎng)格單元中心點(diǎn)坐標(biāo)乘積之和除以機(jī)翼翼肋質(zhì)量得到；機(jī)翼翼肋轉(zhuǎn)動慣量是所有機(jī)翼翼肋網(wǎng)格單元相對于機(jī)翼翼肋質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之和，任一機(jī)翼翼肋網(wǎng)格單元相對于機(jī)翼翼肋質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量由機(jī)翼翼肋網(wǎng)格單元中心點(diǎn)與機(jī)翼翼肋質(zhì)心對應(yīng)轉(zhuǎn)軸的垂直距離平方乘以機(jī)翼翼肋網(wǎng)格單元質(zhì)量得到；

25、機(jī)翼翼梁質(zhì)量由機(jī)翼翼梁網(wǎng)格單元長度之和與機(jī)翼翼梁橫截面積、機(jī)翼翼梁材料密度乘積得到；機(jī)翼翼梁質(zhì)心由機(jī)翼翼梁網(wǎng)格單元質(zhì)量與機(jī)翼翼梁網(wǎng)格單元中心點(diǎn)坐標(biāo)乘積之和除以機(jī)翼翼梁總質(zhì)量得到；機(jī)翼翼梁轉(zhuǎn)動慣量是所有機(jī)翼翼梁網(wǎng)格單元相對于機(jī)翼翼梁質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之和，任一機(jī)翼翼梁網(wǎng)格單元相對于機(jī)翼翼梁質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量由機(jī)翼翼梁網(wǎng)格單元中心點(diǎn)與機(jī)翼翼梁質(zhì)心對應(yīng)轉(zhuǎn)軸的垂直距離平方乘以機(jī)翼翼梁網(wǎng)格單元質(zhì)量得到。

26、優(yōu)選的，尾翼構(gòu)件包括尾翼隔熱層、尾翼蒙皮、尾翼翼肋、尾翼翼梁；

27、尾翼隔熱層質(zhì)量由構(gòu)成尾翼表面的網(wǎng)格單元面積之和與尾翼隔熱層厚度、尾翼隔熱層材料密度乘積得到；尾翼隔熱層質(zhì)心由尾翼隔熱層網(wǎng)格單元質(zhì)量與網(wǎng)格單元中心點(diǎn)坐標(biāo)乘積之和除以尾翼隔熱層質(zhì)量得到；尾翼隔熱層轉(zhuǎn)動慣量是所有尾翼隔熱層網(wǎng)格單元相對于尾翼隔熱層質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之和，任一尾翼隔熱層網(wǎng)格單元相對于尾翼隔熱層質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量由尾翼隔熱層網(wǎng)格單元中心點(diǎn)與尾翼隔熱層質(zhì)心對應(yīng)轉(zhuǎn)軸的垂直距離平方乘以尾翼隔熱層網(wǎng)格單元質(zhì)量得到；

28、尾翼蒙皮質(zhì)量由構(gòu)成尾翼表面的網(wǎng)格單元面積之和與尾翼蒙皮厚度、尾翼蒙皮材料密度乘積得到；尾翼蒙皮質(zhì)心由尾翼蒙皮網(wǎng)格單元質(zhì)量與網(wǎng)格單元中心點(diǎn)坐標(biāo)乘積之和除以尾翼蒙皮質(zhì)量得到；尾翼蒙皮轉(zhuǎn)動慣量是所有尾翼蒙皮網(wǎng)格單元相對于尾翼蒙皮質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之和，任一尾翼蒙皮網(wǎng)格單元相對于尾翼蒙皮質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量由尾翼蒙皮網(wǎng)格單元中心點(diǎn)與尾翼蒙皮質(zhì)心對應(yīng)轉(zhuǎn)軸的垂直距離平方乘以尾翼蒙皮網(wǎng)格單元質(zhì)量得到；

29、尾翼翼肋質(zhì)量由尾翼翼肋網(wǎng)格單元面積之和與尾翼翼肋厚度、尾翼翼肋材料密度乘積得到；尾翼翼肋質(zhì)心由尾翼翼肋網(wǎng)格單元質(zhì)量與尾翼翼肋網(wǎng)格單元中心點(diǎn)坐標(biāo)乘積之和除以尾翼翼肋總質(zhì)量得到；尾翼翼肋轉(zhuǎn)動慣量是所有尾翼翼肋網(wǎng)格單元相對于尾翼翼肋質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之和，任一尾翼翼肋網(wǎng)格單元相對于尾翼翼肋質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量由尾翼翼肋網(wǎng)格單元中心點(diǎn)與尾翼翼肋質(zhì)心對應(yīng)轉(zhuǎn)軸的垂直距離平方乘以尾翼翼肋網(wǎng)格單元質(zhì)量得到；

30、尾翼翼梁質(zhì)量由尾翼翼梁網(wǎng)格單元長度之和與尾翼翼梁橫截面積、尾翼翼梁材料密度乘積得到；尾翼翼梁質(zhì)心由尾翼翼梁網(wǎng)格單元質(zhì)量與尾翼翼梁網(wǎng)格單元中心點(diǎn)坐標(biāo)乘積之和除以尾翼翼梁質(zhì)量得到；尾翼翼梁轉(zhuǎn)動慣量是所有尾翼翼梁網(wǎng)格單元相對于尾翼翼梁質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之和，任一尾翼翼梁網(wǎng)格單元相對于尾翼翼梁質(zhì)心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量由尾翼翼梁網(wǎng)格單元中心點(diǎn)與尾翼翼梁質(zhì)心對應(yīng)轉(zhuǎn)軸的垂直距離平方乘以尾翼翼梁網(wǎng)格單元質(zhì)量得到。

31、優(yōu)選的，機(jī)身質(zhì)量為機(jī)身隔熱層、機(jī)身蒙皮、機(jī)身隔框、機(jī)身桁梁質(zhì)量之和；機(jī)身質(zhì)心為機(jī)身隔熱層、機(jī)身蒙皮、機(jī)身隔框、機(jī)身桁梁質(zhì)量與其各自質(zhì)心乘積之和除以機(jī)身質(zhì)量；機(jī)身轉(zhuǎn)動慣量為機(jī)身隔熱層、機(jī)身蒙皮、機(jī)身隔框、機(jī)身桁梁質(zhì)量與其各自質(zhì)心與機(jī)身質(zhì)心坐標(biāo)軸垂直距離的平方的乘積之和，此處機(jī)身質(zhì)心坐標(biāo)軸為機(jī)身轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)軸。

32、優(yōu)選的，機(jī)翼質(zhì)量為機(jī)翼隔熱層、機(jī)翼蒙皮、機(jī)翼翼肋、機(jī)翼翼梁質(zhì)量之和；機(jī)翼質(zhì)心為機(jī)翼隔熱層、機(jī)翼蒙皮、機(jī)翼翼肋、機(jī)翼翼梁質(zhì)量與其各自質(zhì)心乘積之和除以機(jī)翼質(zhì)量；機(jī)翼轉(zhuǎn)動慣量為機(jī)翼隔熱層、機(jī)翼蒙皮、機(jī)翼翼肋、機(jī)翼翼梁質(zhì)量與其各自質(zhì)心與機(jī)翼質(zhì)心坐標(biāo)軸垂直距離的平方的乘積之和，此處機(jī)翼質(zhì)心坐標(biāo)軸為機(jī)翼轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)軸。

33、優(yōu)選的，尾翼質(zhì)量為尾翼隔熱層、尾翼蒙皮、尾翼翼肋、尾翼翼梁質(zhì)量之和；尾翼質(zhì)心為尾翼隔熱層、尾翼蒙皮、尾翼翼肋、尾翼翼梁質(zhì)量與其各自質(zhì)心乘積之和除以尾翼質(zhì)量；尾翼轉(zhuǎn)動慣量為尾翼隔熱層、尾翼蒙皮、尾翼翼肋、尾翼翼梁質(zhì)量與其各自質(zhì)心與尾翼質(zhì)心坐標(biāo)軸垂直距離的平方的乘積之和，此處尾翼質(zhì)心坐標(biāo)軸為尾翼轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)軸。

34、優(yōu)選的，高速飛行器結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為機(jī)身、機(jī)翼、尾翼之和；高速飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)心為機(jī)身、機(jī)翼、尾翼質(zhì)量與其各自質(zhì)心乘積之和除以飛行器結(jié)構(gòu)總質(zhì)量；高速飛行器結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量為機(jī)身、機(jī)翼、尾翼質(zhì)量與其各自質(zhì)心與飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)心坐標(biāo)軸垂直距離的平方的乘積之和，此處飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)心坐標(biāo)軸為飛行器結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)軸。

35、本發(fā)明有益技術(shù)效果如下：

36、(1)利用本發(fā)明方法進(jìn)行高速飛行器概念設(shè)計(jì)時，可以將飛行器蒙皮、隔熱層等結(jié)構(gòu)密度、厚度等參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，計(jì)算得到與結(jié)構(gòu)密度、厚度參數(shù)相關(guān)的飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)量特性，更加符合設(shè)計(jì)實(shí)際。

37、(2)在本發(fā)明的基礎(chǔ)上，給定設(shè)備質(zhì)量特性、燃料質(zhì)量特性及推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量特性后，可快速計(jì)算出飛行器全機(jī)質(zhì)量特性；

38、(3)本發(fā)明方法使飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)量特性計(jì)算、飛行器氣動性能計(jì)算共用一套表面網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)了“一網(wǎng)兩用”，計(jì)算飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)量特性的同時還能進(jìn)行飛行器氣動性能計(jì)算，提高概念設(shè)計(jì)階段多學(xué)科優(yōu)化計(jì)算效率，降低時間成本。

39、(4)本發(fā)明飛行器概念設(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)質(zhì)量特性快速計(jì)算方法，飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)量特性計(jì)算方法簡單，易編程實(shí)現(xiàn)，方便集成到多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)中。