大型客机燃油重量特性仿真技术研究

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1、航空学报Nov．252016V01．37No．113361-3369ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．CR大型客机燃油重量特性仿真技术研究郭锐1，罗明强2一，唐乾刚1，张青斌1，刘洋辉21．国防科学技术大学航天科学与工程学院，长沙4100732．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083摘要：基于虚拟飞行的大型客机特性评估，需要更加精准的燃油重量特性，而现有的燃油重量特性分析方法在计算速度和精度上已经无法满足需

2、求，也没有系统的燃油重量特性仿真工具。针对这一问题，改进传统燃油切片法，提出一种基于数据库和耗油顺序的分析方法，分为油箱燃油重量特性数据库构建、燃油系统瞬时重量特性计算和燃油系统重量特性实时监控3个模块进行研究，并基于CATIA二次开发平台，VC++开发环境和Unity3D游戏引擎，开发了一套较系统的飞机燃油重量特性分析软件。选用双通道的A330—300客机作为算例，根据官方公布的数据，利用CATIA建立油箱组模型，作为仿真的原始输入，经过前处理、仿真和后处理3个步骤，对算法及软件的快速性和准确性进行了验证，也说明了发展燃油主动重心控制技术的必要性。关键词：飞机；燃油重量特性

3、；切片法；数据库；耗油顺序中图分类号：V221文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)11—3361-09随着航空运输业的蓬勃发展，飞机的航程和载重量不断攀升，飞机的载油量也与日剧增。通过对波音和空客等大型客机的油重／总重进行统计分析发现，现代大型客机的载油量已占飞机总重的30％～47％，飞机的燃油重量特性(包括：油量、燃油重心、燃油的转动惯量和惯性积等)，已成为影响飞行品质和飞行安全的重要因素，也成为飞机设计的重要内容。自1996年何敏首次提出燃油切片法以来，一种基于有限元的燃油重量特性的数字仿真技术得到快速发展，通过对油箱燃油进行切片处理，可以得到满足工程需

4、求的燃油重量特性数据，但受到有限元算法复杂度高、精度差、直观性差等的限制，未能在工程领域推广使用[1。8J。2003年，罗志宇在其学位论文中，将数据库管理技术引入到飞机重量特性计算中，但未对燃油重量特性的仿真进行深入研究[9]。2009年，薛治平利用Auto—CAD确定复杂构件的重量与重心，为燃油模型的重量特性参数测量提供了一种新的思路口⋯。同年，张永涛等基于CATIAV5Automation平台开发燃油质量特性分析软件，直接对三维模型进行燃油切片分析，取得了很好的效果，但仅根据俯仰角和滚转角刻画油平面(在飞机飞行过程中，忽略燃油晃动和液体的黏性，将燃油的液面简化为平面，称之

5、为油平面)，精度略显不足u¨。2013年，刘志杰提出了描述飞机油箱内燃油消耗过程中转移规律的窜油模型，将各个子油箱作为独立的个体处理，更真实地模拟了飞机耗油过程中燃油在各腔体之间的流动情况，但基于迭代法的求解算法无法保证计算的快速性[12。13I。收稿日期：2015．12．01；退修日期：2016—01—15；录用日期：2016—02—17；网络出版时间：2016-02·2414：26网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／11．1929．V．20160224．1426．004．htmI基金项目：国家“863”计划(2014AAll0501)*通讯作者．T

6、el：010-82339801E-mail：luomingqiang—buaa@163．com礅用格武I郭锐．罗明强．唐乾鼬．等大型客机燃油重量特性仿真技术研究!越．航空学报．2016，37(11)：3361-3369．GUOR·LUOMO，TANGOG，eta1．Simulationtechniquesforanalyzingfuelweightpropertiesoflargecivilaircrafts[JJ．ActaAeronauticaetAs—tronauticaSinica．2016，37(11)：336I-3369．航空学报NOV．252016VoI．37No

7、．11基于以上分析，已有的飞机燃油重量特性分析算法和工具存在以下两方面问题：①快速性与精确性存在难以调和的矛盾，很难同时保证快速性与精确性；②缺乏系统性，没有综合考虑飞机燃油系统的油箱布置和耗油顺序等问题，较难应用于实际工程情况。本文在总结已有算法的基础上，以燃油系统(由各油箱和输油管等组成)的重量一重心关系为例，对飞机燃油重量特性的仿真技术进行研究，提出了基于数据库和耗油顺序的分析方法，并开发了相应的分析软件，实现了飞机燃油重量特性的快速精确计算和实时监控。1算法研究基于油箱燃油(根据油箱形状得到燃油