CN107784181A - 一种面向运载火箭的流固耦合仿真几何模型简化方法 - Google Patents

Abstract

一种面向运载火箭的流固耦合仿真几何模型简化方法，步骤为：1)检索装配中所有零部件，剔除外形不合格的部件；2)任选其中一片体为中心，检索周围的片体，并与之结合成一个闭合体；3)检索装配下所有零部件的要素，选择几何特征，通过特征识别选出与之相对应的几何特征面，对几何特征面进行属性标记或删除；4)选择几何特征，完成尺寸阈值设置，将选出的几何特征的尺寸与尺寸阈值进行比较，剔除不符合要求的几何特征；5)判断几何简化是否为流体力学专业使用；6)计算零部件的包围盒，求取装配体的整体外形，对装配体整体进行抽壳，即获得整个装配的几何外形；7)选定更新后的装配，创建空间域，即完成面向流固耦合仿真的几何简化工作。

Description

一种面向运载火箭的流固耦合仿真几何模型简化方法

技术领域

本发明涉及航天产品系统仿真技术领域，特别是涉及一种面向运载火箭的流固耦合仿真几何模型简化方法。

背景技术

CAD(Computer Aided Design)三维设计软件和CAE(Computer AidedEngineering)分析仿真软件是运载火箭设计过程中已经广泛使用的工具，为实现不同软件系统间的数据共享，已经开展了一些的集成应用开发，效果改进明显。但整体来说，从CAD到CAE的设计分析流程不是很流畅。概括来说，CAD模型面向制造过程，模型细节丰富、规模庞大，而CAE模型却需要适当的简化和理想化，如何将CAD模型转化为CAE仿真所需源模型成为数据共享的难点。目前主要依靠重新几何建模或人工直接简化的方式实现从CAD到CAE的信息传递，难以满足工程上大规模、多批次的CAE快速仿真分析的需求，并且费时、费力。

运载火箭多物理场仿真而言，涉及到流体、结构等多个专业，涉及到流场、应力应变场、温度场等复杂的物理场，其仿真分析软件涉及到Abaqus、ICEMCFD、Fluent等商业软件。其仿真建模方式与以往单专业仿真有很大不同，在仿真建模时必须要保证流体模型和结构模型的几何信息一致，二者必须采用统一的CAD数据源，同时还应该对几何模型进行大量的简化以提高网格模型的质量和仿真效率。另一方面，针对设计变更和不同飞行任务要求，需要对不同设计方案和使用工况进行仿真分析，因此参数化、规范化、流程化的CAD/CAE一体化建模环境对于开展仿真与分析工作变得非常重要，这就需要针对运载火箭的特点，开展CAD模型简化方法研究。

目前，三维几何模型简化存在的问题主要表现在以下几个方面：

(1)缺乏统一完整的模型转换配置流程，支撑多领域CAE仿真建模。

针对运载火箭飞行过程，已经建立了大量的流体、结构和动力学等学科的模型，用于设计分析、验证与机理研究。这些模型均是针对特定问题研制的，而且绝大部分几何建模工作都是通过直接建模方式完成的，仅有很少CAE模型是通过CAD模型转换而来，而且这部分模型的规模较小。在面临耦合仿真问题时，常常由于CAD源模型不一致，导致建模工作的反复修改；而通过模型转换方式，一般来说模型转换的质量与效率均不高，使得模型的适用性非常差。因此，还需从耦合仿真工作角度，建立统一完整的配置环境，提供完善的模型转换流程，提升建模分析效率。

(2)缺乏适应不同型号与专业的模型转换模板，支撑快速开展仿真建模分析。

运载火箭CAE仿真分析过程中，通常会根据不同型号、不同专业的需求开展建模工作，由于问题对象复杂，工具与方式均存在较大差异，几何模型的颗粒度各有不同，不利于耦合仿真分析，存在设计质量风险；不利于复杂问题机理探究和知识创新，减缓多专业深层次方面的发展步伐。从耦合仿真建模配置的角度来说，需要根据不同型号不同专业的需求，定制几何模型的简化模板，形成面向耦合仿真的建模模板库，便于设计师从型号、专业等角度复用历史经验与知识信息，提升建模效率与质量，同时利于知识的固化与发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提出一种面向运载火箭的流固耦合仿真几何模型简化方法，实现运载火箭三维几何模型的快速简化，支持运载火箭不同领域CAE模型的适配耦合，提升CAD到CAE的模型配置能力。

本发明的技术方案是：一种面向运载火箭的流固耦合仿真几何模型简化方法，步骤如下：

(1)检索装配中所有零部件，剔除外形不合格的部件；

(2)检索装配所有零部件中的片体，任选其中一片体为中心，检索周围的片体，并与之结合成一个闭合体，即片体缝合；

(3)检索装配下所有零部件的要素，选择几何特征，通过特征识别选出与之相对应的几何特征面，对几何特征面进行属性标记或删除；

(4)选择几何特征，完成尺寸阈值设置，将选出的几何特征的尺寸与尺寸阈值进行比较，剔除不符合要求的几何特征；

(5)判断几何简化是否为流体力学专业使用，如否，则表示面向结构力学专业的几何简化工作已结束，否则，执行特征提取至步骤(6)；

(6)检索更新后装配的所有零部件，计算零部件的包围盒，求取装配体的整体外形，对装配体整体进行抽壳，即获得整个装配的几何外形；

(7)选定更新后的装配，创建空间域，即完成面向流固耦合仿真的几何简化工作。

所述步骤(1)的具体操作流程为：计算所有零部件的总表面积与所有零部件的总体积，根据给定的表面积百分比与体积百分比阈值，计算临界值组合，将该临界值组合和所有零部件逐一进行比较，如某零部件小于临界值组合，则从装配中剔除；

所述步骤(2)后，判断装配中所有零部件是否存在有被破坏的数据，如无直接转步骤(3)，否则执行模型修复后转步骤(3)。

所述步骤(3)中的几何特征包括圆角、圆柱孔、凸台及其他用户自定义的特征属性。

所述步骤(4)后，判断是否需要对几何模型进行精细化调整，如不需要调整，直接转步骤(5)；否则，执行面处理后转步骤(5)。

所述步骤(7)创建空间域的方法为：

步骤1：检索装配的所有零部件；

步骤2：逐一选定零部件，并检索零部件的实体；

步骤3：计算所有实体的包围盒；

步骤4：将上述包围盒两两进行比较，判断是否存在完全包住的情况，如是，则删除较小包围盒对应的实体，否则，进行布尔运算求和得到新的实体。

步骤5：选择空间域的类型，根据装配与拟设计空间域的最小距离，计算对应的特征尺寸，并完成空间域创建。所述的空间域类型包括圆柱体、长方体和椭球体。

所述步骤(5)中的特征提取包括零部件外表面提取、孔提取与腔提取。

所述临界值组合的具体计算方法为：

(1)A＝[S,V]，其中A为临界值组合，S为表面积临界值，V为体积临界值。

(2)S＝S1*Ps，其中S1为所有零部件的总表面积，Ps为给定的表面积百分比；

(3)V＝V1*Pv；其中V1为所有零部件的总体积，Pv为给定的体积百分比。

所述步骤(5)中特征提取操作包括：

(1)零部件外表面提取，其具体操作为：

步骤1：检索零部件内的要素，任意选择要素并从中取一点；

步骤2：以所选点为起点，在零部件内做射线，根据射线的相交结果，确定零部件的外表面，进而获取整个零部件的外形面；

步骤3：如果零部件的外形面不封闭，则对外形面做补洞处理，做成封闭面。

(2)孔提取，其具体操作为：

步骤1：选定待操作的孔的一个构成面和孔的所有边界面，提取出所选孔的所有面；

步骤2：检索孔面的最外周边线，并将其封闭起来；

步骤3：根据最外周边线进行孔填补。

(3)腔提取，其具体操作为：

步骤1：选定待操作的腔的一个构成面和腔的所有边界面，提取出所选腔的所有面，

步骤2：检索腔面的最外周边线，并将其封闭起来；

步骤3：根据最外周边线进行腔填补。

所述的面处理包括：插补面、替换面、删除面、中面处理、分离、裁剪、分割。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明提出的面向耦合仿真的三维几何模型简化方法，针对运载火箭三维几何模型的复杂特征，解决了CAD到CAE模型转换流程不固定、模型简化步骤及内容不统一、几何简化配置环境不健全等问题，能够针对不同专业的仿真需求，实现运载火箭几何模型简化，支撑开展多专业多物理场耦合仿真，为总体提供快速、有效的建模手段，打通CAD到CAE建模分析的一体化链路，提升效率，利于随着型号研制周期开展反复的迭代优化设计分析；

(2)、本发明提出的面向耦合仿真的三维几何模型简化方法，针对运载火箭几何模型的小构件尺寸不一且数目庞大、不同型号小构件特征差异较小的特点，解决了人工操作反复较多、耗时较长、模型转换效率不高等问题。本发明实现了一种基于特征自动检索分析的特征简化方法，使运载火箭几何特征自动识别及处理，同时该方法支持参数化、模版化处理，便于不同领域CAE模型的灵活扩展与配置，提升多领域耦合计算分析的工作进程。

附图说明

图1为构件简化流程图。

图2为UV等参线。

图3为创建空间域流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

1、如图1所示，检索装配中所有零部件，计算所有零部件的总表面积与所有零部件的总体积，根据给定的表面积百分比与体积百分比阈值，计算临界值组合，将该临界值组合和所有零部件逐一进行比较，如某零部件小于临界值组合，则从装配中剔除。所述的临界值组合的具体计算方法为：

(1)A＝[S,V]，其中A为临界值组合，S为表面积临界值，V为体积临界值。

(2)S＝S1*Ps，其中S1为所有零部件的总表面积，Ps为给定的表面积百分比；

(3)V＝V1*Pv；其中V1为所有零部件的总体积，Pv为给定的体积百分比；

2、检索装配所有零部件中的片体，任选其中一片体为中心，检索周围的片体，并与之结合成一个闭合体，即片体缝合；

3、判断装配中所有零部件是否存在有被破坏的数据，如无直接转步骤4，否则执行模型修复后转步骤4。

4、检索装配下所有零部件的要素，选择几何特征，通过特征识别选出与之相对应的几何特征面，对几何特征面进行属性标记或删除；所述的几何特征包括圆角、圆柱孔、凸台及其他用户自定义的特征属性；

5、所述步骤4的特征识别方法为：

(1)遍历所选几何特征的所有构成面；

(2)逐一选定构成面，设置UV等参线，如图2所示；

(3)利用UV等参线，采用圆弧逼近方式判断每个面是否为圆角面，如均为是，则所选几何特征为圆角，如其中一面为否，则所选几何特征不是圆角，并跳出判断；

(4)利用UV等参线，采用圆弧逼近方式判断每个面是否为圆柱面，如均为否，则所选几何特征为不是圆柱孔，如其中一面为是，则此面为圆柱面。以此圆柱面为种子面，检索孔面，如无孔面则为通孔，如有则为盲孔。

6、选择几何特征，完成尺寸阈值设置，将选出的几何特征的尺寸与尺寸阈值进行比较，剔除不符合要求的几何特征；

7、判断是否需要对几何模型进行精细化调整，如不需要调整，直接转步骤8；否则，执行面处理后转步骤8；所述的面处理包括：插补面、替换面、删除面、中面处理、分离、裁剪、分割。

8、判断几何简化是否为流体力学专业使用，如否，则表示面向结构力学专业的几何简化工作已结束，否则，执行特征提取至步骤9；所述的特征提取包括零部件外表面提取、孔提取与腔提取；

9、所述的特征提取操作包括：

(1)零部件外表面提取，其具体操作为：

步骤1：检索零部件内的要素，任意选择要素并从中取一点；

步骤2：以所选点为起点，在零部件内做射线，根据射线的相交结果，确定零部件的外表面，进而获取整个零部件的外形面；

步骤3：如果零部件的外形面不封闭，则对外形面做补洞处理，做成封闭面。

(2)孔提取，其具体操作为：

步骤1：选定待操作的孔的一个构成面和孔的所有边界面，提取出所选孔的所有面；

步骤2：检索孔面的最外周边线，并将其封闭起来；

步骤3：根据最外周边线进行孔填补。

(3)腔提取，其具体操作为：

步骤1：选定待操作的腔的一个构成面和腔的所有边界面，提取出所选腔的所有面，

步骤2：检索腔面的最外周边线，并将其封闭起来；

步骤3：根据最外周边线进行腔填补。

10、检索更新后装配的所有零部件，计算零部件的包围盒，求取装配体的整体外形，对装配体整体进行抽壳，即获得整个装配的几何外形

11、选定更新后的装配，创建空间域，即完成面向流固耦合仿真的几何简化工作。

12、如图3所示，所述步骤(11)创建空间域的方法为：

(1)检索装配的所有零部件；

(2)逐一选定零部件，并检索零部件的实体；

(3)计算所有实体的包围盒；

(4)将上述包围盒两两进行比较，判断是否存在完全包住的情况，如是，则删除较小包围盒对应的实体，否则，进行布尔运算求和得到新的实体。

(5)选择空间域的类型，根据装配与拟设计空间域的最小距离，计算对应的特征尺寸，并完成空间域创建。所述的空间域类型包括圆柱体、长方体和椭球体。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向运载火箭的流固耦合仿真几何模型简化方法，其特征在于步骤如下：

(1)检索装配中所有零部件，剔除外形不合格的部件；

(2)检索装配所有零部件中的片体，任选其中一片体为中心，检索周围的片体，并与之结合成一个闭合体，即片体缝合；

(3)检索装配下所有零部件的要素，选择几何特征，通过特征识别选出与之相对应的几何特征面，对几何特征面进行属性标记或删除；

(4)选择几何特征，完成尺寸阈值设置，将选出的几何特征的尺寸与尺寸阈值进行比较，剔除不符合要求的几何特征；

(5)判断几何简化是否为流体力学专业使用，如否，则表示面向结构力学专业的几何简化工作已结束，否则，执行特征提取至步骤(6)；

(6)检索更新后装配的所有零部件，计算零部件的包围盒，求取装配体的整体外形，对装配体整体进行抽壳，即获得整个装配的几何外形；

(7)选定更新后的装配，创建空间域，即完成面向流固耦合仿真的几何简化工作。

2.根据权利要求1所述的一种面向运载火箭的流固耦合仿真几何模型简化方法，其特征在于：所述步骤(1)的具体操作流程为：计算所有零部件的总表面积与所有零部件的总体积，根据给定的表面积百分比与体积百分比阈值，计算临界值组合，将该临界值组合和所有零部件逐一进行比较，如某零部件小于临界值组合，则从装配中剔除。

3.根据权利要求1所述的一种面向运载火箭的流固耦合仿真几何模型简化方法，其特征在于：所述步骤(2)后，判断装配中所有零部件是否存在有被破坏的数据，如无直接转步骤(3)，否则执行模型修复后转步骤(3)。

4.根据权利要求1所述的一种面向运载火箭的流固耦合仿真几何模型简化方法，其特征在于：所述步骤(3)中的几何特征包括圆角、圆柱孔、凸台及其他用户自定义的特征属性。

5.根据权利要求1所述的一种面向运载火箭的流固耦合仿真几何模型简化方法，其特征在于：所述步骤(4)后，判断是否需要对几何模型进行精细化调整，如不需要调整，直接转步骤(5)；否则，执行面处理后转步骤(5)。

6.根据权利要求1所述的一种面向运载火箭的流固耦合仿真几何模型简化方法，其特征在于：所述步骤(7)创建空间域的方法为：

步骤1：检索装配的所有零部件；

步骤2：逐一选定零部件，并检索零部件的实体；

步骤3：计算所有实体的包围盒；

步骤4：将上述包围盒两两进行比较，判断是否存在完全包住的情况，如是，则删除较小包围盒对应的实体，否则，进行布尔运算求和得到新的实体。

步骤5：选择空间域的类型，根据装配与拟设计空间域的最小距离，计算对应的特征尺寸，并完成空间域创建。所述的空间域类型包括圆柱体、长方体和椭球体。

7.根据权利要求1所述的一种面向运载火箭的流固耦合仿真几何模型简化方法，其特征在于：所述步骤(5)中的特征提取包括零部件外表面提取、孔提取与腔提取。

8.根据权利要求2-7所述的一种面向运载火箭的流固耦合仿真几何模型简化方法，其特征在于：所述临界值组合的具体计算方法为：

(11)A＝[S,V]，其中A为临界值组合，S为表面积临界值，V为体积临界值。

(12)S＝S1*Ps，其中S1为所有零部件的总表面积，Ps为给定的表面积百分比；

(13)V＝V1*Pv；其中V1为所有零部件的总体积，Pv为给定的体积百分比。

9.根据权利要求1-7所述的一种面向运载火箭的流固耦合仿真几何模型简化方法，其特征在于：所述步骤(5)中特征提取操作包括：

(21)零部件外表面提取，其具体操作为：

步骤1：检索零部件内的要素，任意选择要素并从中取一点；

步骤2：以所选点为起点，在零部件内做射线，根据射线的相交结果，确定零部件的外表面，进而获取整个零部件的外形面；

步骤3：如果零部件的外形面不封闭，则对外形面做补洞处理，做成封闭面。

(22)孔提取，其具体操作为：

步骤1：选定待操作的孔的一个构成面和孔的所有边界面，提取出所选孔的所有面；

步骤2：检索孔面的最外周边线，并将其封闭起来；

步骤3：根据最外周边线进行孔填补。

(23)腔提取，其具体操作为：

步骤1：选定待操作的腔的一个构成面和腔的所有边界面，提取出所选腔的所有面，

步骤2：检索腔面的最外周边线，并将其封闭起来；

步骤3：根据最外周边线进行腔填补。

10.根据权利要求5-7所述的一种面向运载火箭的流固耦合仿真几何模型简化方法，其特征在于：所述的面处理包括：插补面、替换面、删除面、中面处理、分离、裁剪、分割。