CN110781579A - 一种空投物体下落过程仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空投物体下落过程仿真方法，采用静态网格技术通过考虑流场来流和物体的相对关系模拟空投物体的下落过程，包括以下步骤：1)确定空投物体下落时的初始状态和初始流场边界条件；2)根据空投物体的受力情况确定下一时刻物体的运动状态；3)根据空投物体和来流的相对运动状态确定新时刻的流场边界条件；4)更新流场边界条件；5)判断空投物体是否落地，若空投物体已落地，则终止仿真，如未落地，则重复步骤2)‑4)。与现有技术相比，本发明具有计算量小、仿真时间短、结果准确等优点。

Description

一种空投物体下落过程仿真方法
技术领域
本发明涉及计算机仿真领域，尤其是涉及一种空投物体下落过程仿真方法。
背景技术
空投物体，如炸弹在研发过程中需要按照国家军用标准GJB 349.22-1989通过实际投弹测量空投物体的“标准落下时间”进行评估其下落性能，试验方法为在标准大气条件下(地面气压为760mm水银柱高，地面气温为15℃，地面大气密度为1.225kg/m3，气温递增率为0.0065℃/m)从2000m高度、航速为40m/s作水平飞行的飞机上投下的炸弹的落下时间。但上述过程执行周期长，成本高，由于炸弹在设计阶段中需要不断优化外形以提高其下落性能，因此上述试验方法难以满足实际研发的急切需要，为此可通过仿真方法研究炸弹的下落过程，缩短炸弹的研发设计时间。
利用仿真手段研究物体下落动态过程，一般可以通过动网格技术模拟物体在流场中的运动轨迹。但采用此种方法，需要创建一个较大的流场，相比于流场，物体本身的尺寸要小得多。如对于空投物体下落过程的仿真，需要创建一个高度达到2000m，长度数百米的流场，而空投物体的相对尺寸则小得多，需要大量的网格以保证仿真精度，计算量和仿真时间难以预测，普通计算机很难满足。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种空投物体下落过程仿真方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种空投物体下落过程仿真方法，采用静态网格技术通过考虑流场来流和物体的相对关系模拟空投物体的下落过程，包括以下步骤：
1)确定空投物体下落时的初始状态和初始流场边界条件；
2)根据空投物体的受力情况确定下一时刻物体的运动状态；
3)根据空投物体和来流的相对运动状态确定新时刻的流场边界条件；
4)更新流场边界条件；
5)判断空投物体是否落地，若空投物体已落地，则终止仿真，如未落地，则重复步骤2)-4)。
空投物体在下落过程中的自由度包括相对地面的竖直下落、水平方向的前进以及绕着空投物体重心所在轴线的俯仰。
所述的流场边界条件包括流场的速度矢量、大气密度、温度和压强，其由空投物体的运动状态确定，运动状态包括水平速度、垂直速度、垂直下落距离以及空投物体轴线与水平方向的夹角。
所述的步骤1)中，初始流场边界条件根据炸弹下落时的初始状态确定，则有：
Figure BDA0002211618810000021
其中，ux0为初始位置时空投物体的对地水平方向速度，uy0为初始位置时空投物体的对地竖直方向速度，vx0为初始位置时流场对空投物体的水平方向风速，vy0为初始位置时流场对空投物体竖直方向速度风速。
在仿真空投物体下落的过程中，以空投物体为参考系，则流场相对于空投物体的速度为：
Figure BDA0002211618810000022
其中，
Figure BDA0002211618810000023
与
Figure BDA0002211618810000024
分别为t时刻流场相对于空投物体的水平速度和垂直速度，α为空投物体速度矢量与空投物体轴线的夹角，即空投物体的迎风角，为t时刻空投物体在绝对坐标系中的水平方向速度，
Figure BDA0002211618810000026
为t时刻空投物体在绝对坐标系中的垂直方向速度。
在仿真空投物体下落的过程中，空投物体从t时刻到t+Δt时刻的速度变化通过牛顿第二定律获取，则有：
Figure BDA0002211618810000031
其中，m为空投物体的质量，J为空投物体绕z轴的转动惯量，g为重力加速度，
Figure BDA0002211618810000032
分别为t时刻空投物体沿运动方向的受到的法向力、切向力以及绕z轴的转矩，
Figure BDA0002211618810000033
分别为t时刻和t+Δt时刻空投物体在绝对坐标系中的水平速度、垂直速度、绕z轴的转动速度，θ0为t时刻空投物体轴线与水平方向间的夹角。
空投物体在Δt时间内的水平位移Δx、竖直位移Δy和转角Δθ分别为：
Figure BDA0002211618810000034
空投物体从初始位置到新位置时的总位移通过位移求和得到。
该仿真为瞬态仿真，物体和流场的相对位置不发生改变。
空投物体下落的动态过程通过改变流场边界条件实现。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本仿真方法误差小，采用本发明后，流场的计算域缩小，对计算机的计算性能要求降低，减少了计算量和仿真时间，缩短了研发周期，降低了研发成本。
附图说明
图1为本发明中空投物体下落过程动力学模型。
图2为本发明中流场相对空投物体速度示意图
图3为本发明中空投物体落过程的仿真求解路线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例为通过相对运动和坐标变换的概念描述本发明的原理，并用此仿真方法对炸弹按照国家军用标准的规定进行“标准落下时间”的计算。
如图1所示，考虑炸弹在三个方向的自由度，分别是相对地面的竖直下落，水平方向的前进以及绕着炸弹重心所在轴线的俯仰，定义相对于地面静止的绝对坐标系oxy，初始位置时炸弹的对地水平方向速度为ux0，对地竖直方向速度为uy0；此时流场对炸弹的水平方向风速为vx0，对炸弹竖直方向速度风速为vy0，由相对位置关系，可知在初始位置
Figure BDA0002211618810000041
如图1所示，下落过程中，炸弹从t时刻到t+Δt时刻的速度变化通过牛顿第二定律求得
Figure BDA0002211618810000042
其中，m为炸弹的质量,J为炸弹绕z轴转动惯量，g为重力加速度，
Figure BDA0002211618810000043
Figure BDA0002211618810000044
分别为t时刻炸弹沿运动方向的受到的法向力、切向力以及受到的绕z轴转矩，
Figure BDA0002211618810000045
以及
Figure BDA0002211618810000046
分别为t时刻和t+Δt时刻炸弹在绝对坐标系中的水平速度、垂直速度及绕z轴的转动速度，θ0为t时刻炸弹轴线和水平方向的夹角。
如图2所示，以炸弹为参考系，t时刻流场相对于炸弹的速度为：
Figure BDA0002211618810000047
其中，
Figure BDA0002211618810000048
与
Figure BDA0002211618810000049
分别是t时刻流场相对于炸弹轴线的水平速度和垂直速度，α为炸弹速度矢量和炸弹中轴线的夹角，即炸弹的迎风角。
则炸弹在Δt时间内的水平位移、竖直位移和转角分别为
Figure BDA0002211618810000051
炸弹水平和竖直方向的总位移s和h即可通过上述位移求和得到。
炸弹下落过程中，周边的气压和气温及密度都会随着海拔降低而升高，视空气为理想气体。以海平面为基准，气温为15℃，大气压强为1.01325×105Pa，海拔高度每上升1m，大气压强减小11.1Pa，气温减小0.0065℃。则大气压强p(h)和气温T(h)可表示为炸弹竖直下落距离的函数，如式(5)所示，密度可通过理想气体状态方程求出：
Figure BDA0002211618810000052
如图2所示，根据上述动力学模型，可以采用fluent流场仿真对炸弹下落过程进行仿真。其中，炸弹在任意时刻的受力可通过对弹体表面压力求和得到，虚线框内的过程利用fluent的UDF功能编程实现。
基于上述仿真方法选择为层流模型，介质为理想气体考虑空气的可压缩性，边界条件设置为压力远场，其中流场的初始边界条件为：水平方向马赫数为0.1203(取当地音速为332.5m/s)，垂直方向分量为0。大气压强为79102Pa，大气温度为2℃，仿真时间步长取0.01s，即每隔0.01s调整一次流场的边界条件。经过仿真计算得到该炸弹的标落下时间为20.72s，与实际投弹测量得到的标准落下时间误差较小，证实了仿真可以有效准确地模拟出炸弹投弹时下落过程。
本发明阐明了采用fluent流场仿真软件对某型炸弹下落过程进行仿真的原理和过程，并和实验对比分析了其计算标准落下时间的精确性。但本领域技术人员应很容易理解的是，本发明对于基于本仿真方法的而采用其他仿真软件如CFX等进行空投物体下落过程的仿真同样应纳入本发明的权利要求范围。

Claims (10)

1.一种空投物体下落过程仿真方法，采用静态网格技术通过考虑流场来流和物体的相对关系模拟空投物体的下落过程，其特征在于，包括以下步骤：
1)确定空投物体下落时的初始状态和初始流场边界条件；
2)根据空投物体的受力情况确定下一时刻物体的运动状态；
3)根据空投物体和来流的相对运动状态确定新时刻的流场边界条件；
4)更新流场边界条件；
5)判断空投物体是否落地，若空投物体已落地，则终止仿真，如未落地，则重复步骤2)-4)。
2.根据权利要求1所述的一种空投物体下落过程仿真方法，其特征在于，空投物体在下落过程中的自由度包括相对地面的竖直下落、水平方向的前进以及绕着空投物体重心所在轴线的俯仰。
3.根据权利要求1所述的一种空投物体下落过程仿真方法，其特征在于，所述的流场边界条件包括流场的速度矢量、大气密度、温度和压强，其由空投物体的运动状态确定，运动状态包括水平速度、垂直速度、垂直下落距离以及空投物体轴线与水平方向的夹角。
4.根据权利要求1所述的一种空投物体下落过程仿真方法，其特征在于，所述的步骤1)中，初始流场边界条件根据空投物体下落时的初始状态确定，则有：
Figure FDA0002211618800000011
其中，ux0为初始位置时空投物体的对地水平方向速度，uy0为初始位置时空投物体的对地竖直方向速度，vx0为初始位置时流场对空投物体的水平方向风速，vy0为初始位置时流场对空投物体竖直方向速度风速。
5.根据权利要求1所述的一种空投物体下落过程仿真方法，其特征在于，在仿真空投物体下落的过程中，以空投物体为参考系，则流场相对于空投物体的速度为：
其中，
Figure FDA0002211618800000021
与
Figure FDA0002211618800000022
分别为t时刻流场相对于空投物体的水平速度和垂直速度，α为空投物体速度矢量与空投物体轴线的夹角，即空投物体的迎风角，
Figure FDA0002211618800000023
为t时刻空投物体在绝对坐标系中的水平方向速度，为t时刻空投物体在绝对坐标系中的垂直方向速度。
6.根据权利要求1所述的一种空投物体下落过程仿真方法，其特征在于，在仿真空投物体下落的过程中，空投物体从t时刻到t+Δt时刻的速度变化通过牛顿第二定律获取，则有：
Figure FDA0002211618800000025
其中，m为空投物体的质量，J为空投物体绕z轴的转动惯量，g为重力加速度，
Figure FDA0002211618800000026
分别为t时刻空投物体沿运动方向的受到的法向力、切向力以及绕z轴的转矩，分别为t时刻和t+Δt时刻空投物体在绝对坐标系中的水平速度、垂直速度、绕z轴的转动速度，θ0为t时刻空投物体轴线与水平方向间的夹角。
7.根据权利要求6所述的一种空投物体下落过程仿真方法，其特征在于，空投物体在Δt时间内的水平位移Δx、竖直位移Δy和转角Δθ分别为：
Figure FDA0002211618800000028
8.根据权利要求7所述的一种空投物体下落过程仿真方法，其特征在于，空投物体从初始位置到新位置时的总位移通过位移求和得到。
9.根据权利要求1所述的一种空投物体下落过程仿真方法，其特征在于，该仿真为瞬态仿真，物体和流场的相对位置不发生改变。
10.根据权利要求1所述的一种空投物体下落过程仿真方法，其特征在于，物体下落的动态过程通过改变流场边界条件实现。
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