[发明专利]一种复杂曲面上主动冷却通道的快速设计方法

说明书

本发明公开了一种复杂曲面上主动冷却通道的快速设计方法，属于飞机设计技术领域。将复杂曲面按照一定的规则进行分割投影，得到类比的平面设计单元和平面设计约束；根据平面设计约束，在平面设计单元上开展设计得到平面主动冷却通道结构；利用相似关系，将平面设计结构投影回曲面，完善得到带有主动冷却通道的复杂曲面结构；再通过仿真、试验等手段校验设计结果。本发明能够在满足曲面结构设计要求的条件下，提高设计结构的性能，降低系统的功耗，降低设计难度，缩短复杂曲面主动冷却通道的设计周期，有效减轻工作量。

技术领域

本发明属于飞机设计技术领域，具体涉及一种复杂曲面上主动冷却通道的快速设计方法。

背景技术

随着飞行速度的增加，气动热对飞机结构带来的影响增大，长时间飞行甚至会造成结构的温度超过材料的耐温上限，使飞行出现安全隐患。在这样的工作条件下，传统的被动隔热已无法满足结构的使用要求，因此应采取主动热防护措施。其中，微小通道主动冷却具有换热效率高，热沉利用效率高等特点，具有良好的应用前景。

目前的有关微通道冷却的设计主要集中于平面问题上，例如应用于高热流电子设备冷却的微通道冷板等。而对于复杂的机体结构，如头锥曲面、机翼曲面等异形曲面上的通道设计，往往采用的是直通道或蛇形通道的简单易于加工的结构。该设计方法得到的主动冷却结构形式单一，未能考虑到非均布热流对结构的影响，因此设计的主动冷却系统的工质利用效率和能耗均不理想；若对结构直接进行热载荷匹配设计，结构绘制和性能仿真的工作量和难度都非常大，会大幅延长设计周期，且方案结果需多轮迭代。

发明内容

鉴于现有结构主动冷却流道设计方法上的不足，本发明的目的是为解决已有复杂曲面主动冷却通道设计的局限性，提出了一种飞机复杂曲面上主动冷却通道的快速设计方法，使设计方案可以兼顾结构实际非均匀热载荷的设计边界要求，具有良好的运行性能，又能够大大缩短曲面结构复杂流道设计研制的周期。

本申请的技术方案是：

一种复杂曲面上主动冷却通道的快速设计方法，包括以下步骤：

步骤一：根据复杂曲面的形状特征和复杂曲面的热载荷分布，按照相似性原则，将复杂曲面划分成多个具有近似的形状特征和近似的载荷分布的曲面设计单元；利用投影/展开的方式，将曲面设计单元转化为平面设计单元，并获得平面设计单元的等效热载荷分布，形成类比曲面的平面设计约束；

步骤二：根据平面设计约束，结合冷却工质与热载荷匹配的设计思路和设计方法，在平面设计单元上开展主动冷却通道设计得到带有主动冷却通道的平面设计单元结构；

步骤三：根据平面设计单元与曲面设计单元的相似性，结合实际曲面结构的结构参数(如曲率)，利用投影及参数化类比的方式，利用带有主动冷却通道的平面设计单元结构设计得到带有冷却通道的曲面设计单元结构；根据复杂曲面划分曲面设计单元的过程，利用带有冷却通道的曲面设计单元结构，反向构建带有主动冷却通道的复杂曲面结构。

步骤四：对设计得到的带有主动冷却通道的复杂曲面结构，通过仿真、试验等手段，校验设计结果的冷却性能；对带有主动冷却通道的复杂曲面结构的局部设计进行优化，得到最终的带有主动冷却通道的复杂曲面结构。

步骤一中，将复杂曲面划分成多个具有近似的形状特征和近似的载荷分布的曲面设计单元的过程为：基于仿真或试验得到的复杂曲面结构表面热载荷分布，分析热载荷的分布的规律性，将结构划分为多个具有相同热流分布，且结构形状一致的曲面设计单元。

步骤一中，平面设计单元的等效热载荷分布的获得方式为：通过曲面设计单元的热载荷分布，采用最大面积投影、曲率展开或公式拟合等形式得到。

步骤一中，对于一个带有主动冷却通道的复杂曲面结构的设计而言，形成的具有不同热载荷分布的平面设计单元不应超过2种，以防止增大设计工作量。