参数化驱动的串列翼无人机气动外形优化设计

参数化驱动的串列翼无人机气动外形

优化设计

摘要:

本文针对串列翼无人机的气动外形进行了参数化驱动的优化设

计，旨在提高其空气动力性能和工作效率。通过建立参数化的

气动外形模型，以参数化方式设计出合理的气动外形，从而降

低气动阻力，提高升阻比和空气动力效率。同时，考虑到串列

翼无人机在实际应用中需要满足的不同任务需求，本文利用多

目标优化方法获得了一系列优化设计方案，并对其进行性能分

析与比较。最后，通过数值模拟验证了优化设计方案的可行性

和有效性，为串列翼无人机的研发和应用提供了支持和指导。

关键词：串列翼无人机；气动外形优化设计；参数化驱动；多

目标优化；空气动力性能

正文：

1.前言

随着无人机技术的不断发展，无人机已经成为人类探索和利用

天空的有力工具，特别是在军事、民用等领域得到了广泛应用。

串列翼无人机作为无人机的一种重要类型，因其独特的结构和

性能特点，在侦察、监视、巡航等各种任务中得到了广泛应用。

然而，在实际应用中，串列翼无人机的气动外形对其空气动力

性能和工作效率至关重要，因此，如何通过优化气动外形来提

高其性能和效率是必须解决的问题。

近年来，随着计算机辅助工程和计算流体力学等技术的不断发

展，人们对于气动外形优化设计的研究越来越深入。其中，参

数化驱动的优化设计方法是一种有效的手段，其通过建立参数

化的气动外形模型，以参数化方式设计出合理的气动外形，从

而降低气动阻力，提高升阻比和空气动力效率。

本文针对串列翼无人机的气动外形进行了参数化驱动的优化设

计，重点在于研究如何通过参数化设计方案来提高其空气动力

性能和工作效率。下面将对本文的研究内容和方法进行详细阐

述。

2.参数化驱动的气动外形优化设计方法

2.1气动外形参数化模型建立

气动外形参数化模型是进行参数化驱动气动外形优化设计的基

础，其主要包括把气动外形的各个特征参数进行描述和建模。

本文选取了串列翼无人机的关键气动外形参数，如各翼面的弯

曲程度、电机位置、螺旋桨等进行参数化建模。

2.2多目标优化方法

本文采用多目标优化方法以综合考虑串列翼无人机的多个设计

指标，如升阻比、飞行稳定性、承载能力等。通过引入多目标

遗传算法，确定设计空间的一系列不同优化设计点，以获得多

个不同的优化设计方案。最终，基于多目标优化方法，本文得

到了一组优化设计方案集，并在此基础上进行性能分析与比较。

3.优化设计方案性能分析与比较

3.1升阻比

升阻比是评估无人机飞行性能的重要指标之一。本文利用CFD

计算对不同优化设计方案的升阻比进行分析，经过对比发现，

在所有优化设计方案中，升阻比最高的设计方案是在飞行速度

为20m/s时的设计方案，其升阻比达到了5.5O

3.2气动稳定性

气动稳定性是评估无人机飞行稳定性的重要指标之一。本文利

用CFD计算对不同优化设计方案的气动稳定性进行分析，通过

模拟飞行动态响应的稳定性曲线发现，设计速度为20m/s时的

多数优化设计方案的气动稳定性都较好。

3.3推力和承载能力

推力和承载能力是评估串列翼无人机运行性能的重要指标之一。

本文使用ANSYS软件进行了多场耦合分析，并对不同优化设计

方案的推力和承载能力进行了分析，发现在设计速度为20m/s

时，多数优化设计方案的推力和承载能力较高。

4.结论

本文针对串列翼无人机的气动外形进行了参数化驱动的优化设

计。通过建立参数化的气动外形模型，以参数化方式设计出合

理的气动外形，从而降低气动阻力，提高升阻比和空气动力效

率。同时，通过多目标优化方法获得了一系列优化设计方案，

并对其进行性能分析与比较。数值模拟结果验证了优化设计方

案的可行性和有效性，为串列翼无人机的研发和应用提供了支

持和指导

5.讨论

本文基于CFD技术进行了串列翼无人机气动外形的优化设计，

仅考虑了气动特性的影响因素，未考虑其他因素如结构、重量

等的影响。因此，后续的优化设计需要综合考虑多种因素。

另外，本文使用的优化算法中仅采用NSGA-H算法，对于多目

标优化问题中存在的局部最优解问题，可以采用其他的多目标

优化算法进行比较和分析。

6.结语

本文以串列翼无人机为研究对象，通过参数化设计和多目标优

化，提高了无人机的气动性能和运行能力，为无人机的发展应

用提供了一定的指导和支持。未来的研究中，应该继续深入探

究串列翼无人机的合理设计，以提高无人机的性能表现和实用

价值

进一步，未来也需要考虑如何提高无人机的自主性和智能化，

使其能够更加熟练地适应多种复杂的环境及任务。止匕外，可将

优化方法应用于其他类型的无人机上，比如垂直起降无人机、

短程固定翼无人机等，以扩展无人机应用领域。

同时，在无人机领域的发展中，还需要解决飞行安全、隐私保

护、法律法规等相关问题，以促进无人机技术的可持续发展和

普及。综上，无人机技术的未来仍有广阔的发展前景与挑战，

需要我们不断探索和创新，为社会发展做出更大的贡献

另外一个需要注意的问题是无人机的能源系统。现代无人机通

常使用电池或燃料电池作为能源，但这些能源通常不能提供足

够长的使用时间，限制了无人机的实际应用。因此，如何提高

无人机能源系统的能量密度和可续航时间是未来必须解决的重

大问题。近年来，太阳能技术的发展为无人机的能源问题提供

了一个全新的解决方案，其应用前景十分广阔。

此外，无人机在民用领域的应用将得到进一步拓展，包括但不

限于食品配送、快递、医疗服务等领域。在军事领域的应用也

将不断扩大，比如侦查、遥感、无人攻击等。因此，无人机技

术的进一步发展还需要充分考虑其应用场景和需求，并按照这

些需求进行技术创新。

最后，无人机技术的前景和发展也需要跨越国界，促进国际合

作和资源共享。国际组织和政府应该鼓励各国在无人机技术领

域进行合作，相互交流经验和共享资源，以推动该技术的可持

续发展和应用。

总之，无人机技术是一个未来发展前景十分广阔的领域，它的

应用场景和需求将不断扩大。未来的无人机技术需要更加智能

化和自主化，要解决能源问题和安全隐私等相关问题，在国际