CN111488667A - 一种气象探测火箭的参数化气动设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气象探测火箭的参数化气动设计方法，包括步骤S1、基于CATIA参数化建模；S2、基于Pointwise脚本Glyph2的自动网格划分；S3、基于参数化的计算流体力学仿真；S4、基于参数化的仿真结果后处理。本发明的方法的优点：1、基本自动化：气动设计过程中的几何建模、网格划分、计算流体力学仿真以及数据处理等流程都基本实现自动化，大部分工作通过程序自动完成，设计人员主要工作在于设计合理气动外形参数；2、精确性：网格划分的自动化，以及仿真参数设置的自动化并没有牺牲网格质量以及仿真计算精度，保证仿真结果的精确性；3、普适性：本发明适用于所有无控气象探测火箭的气动设计过程。

Description

一种气象探测火箭的参数化气动设计方法

技术领域

本发明属于气象探测火箭气动设计领域，具体为一种气象探测火箭的参数化气动设计方法。

背景技术

气象探测火箭是一种通过投放探空仪进行气象探测的火箭，其一般为无控火箭，具有结构形式简单、成本低、研制周期短、发射灵活等优点。它飞行高度高于探空气球，可以获取20km-60km高度范围内各层大气的结构、成分和气象参数。气象探测火箭探测数据样本的数量在一定程度上取决探空仪数量，即火箭能够携带的有效载荷，在发动机能力有限的情况下，要求进行精细化的气动设计，尽可能降低气动阻力，以便在不增加成本的情况下，尽可能携带更多有效载荷。

气动设计的基础是空气动力学，鉴于空气动力学的复杂性，20世纪60年代以前，气动设计主要依赖于风洞试验以及工程经验。随着近些年计算机技术与计算流体力学的发展，计算流体力学仿真在气动设计中扮演越来越重要的角色，求解方程从速度势方程、Euler方程到Navier-Stokes方程，数值模拟的精度也越来越高。目前，计算流体力学已经在设计阶段大量取代风洞试验，显著缩短设计周期，降低研制成本。

以计算流体力学为基础的气动设计，主要涉及几何建模、网格划分、计算流体力学仿真以及数据处理等流程，而且气动外形从设计到最后定型往往需要经过多轮的迭代设计，每一轮迭代设计由于气动外形的改变，需要重新进行几何建模、网格划分、计算流体力学仿真以及数据处理等流程。虽然随着计算流体力学发展，气动设计相对以往显著缩短了设计周期，但其每个流程也是极其繁琐，如果不计仿真计算所用时间(依赖于计算硬件水平)，整个设计流程大部分时间消耗在几何建模、网格划分、仿真参数设置以及数据后处理，而每个流程的变量往往只有气动外形小幅改变，其余基本为重复操作，使得设计人员浪费大量精力在繁琐和重复的工作，而弱化了气动设计本身。

发明内容

基于以上背景，结合现有的软件技术以及程序设计方法，提供一种参数化气动设计方法，以实现对气动设计的基本自动化，减少气动设计流程繁琐和重复的操作。

实现本发明目的所采用的技术方案具体如下：

一种气象探测火箭的参数化气动设计方法方法，包括如下步骤：

S1、基于CATIA参数化建模，基于CATIA用户参数和公式，在CATIA建模过程中通过知识工程模块中的f(x)功能创建各种用户参数以及公式来驱动模型；

S2、基于Pointwise脚本Glyph2的自动网格划分，基于通用解释型脚本语言Tcl的脚本语言Glyph2，通过脚本语言编程或者录制宏的形式实现网格自动划分，通过Glyph2录制宏的形式记录首次划分网格的形式实现网格自动划分，包括求解器选择，边界条件设置，以及网格输出操作；

S3、基于参数化的计算流体力学仿真，针对计算流体力学仿真软件CFD++编程开发基于参数化的参数设置程序，所述参数设置程序是通过修改CFD++控制文件mcfd.inp得到每个计算状态的控制文件，使用时只需给定计算状态的高度、马赫数、攻角、侧滑角等参数，以及一个控制文件mcfd.inp模板文件，程序即可自动生成所有计算状态的控制文件；

S4、基于参数化的仿真结果后处理，针对计算流体力学仿真软件CFD++编程开发了基于参数化的后处理程序，所述基于参数化的后处理程序是通过给定必要参数生成所有计算状态的控制文件infout1f.inp，并且基于参数化的后处理程序读入所有计算状态控制文件infout1f.inp，并处理数据形成气动性能数据库；基于参数化的后处理程序只需给定高度、马赫数、攻角、侧滑角、参考长度，参考面积和力矩参考点等参数，即可处理得到所有计算状态的各项系数，并形成气动性能数据库。

进一步地，所述步骤S1中，所述模型为火箭，气动设计变量包括火箭长度L、火箭半径R、头锥长度Lh、尾翼稍弦长ChrodU、尾翼展长SpanL、尾翼前缘后掠角Sweep、后缘后掠角SweepBack、六边形翼型最大厚度c、六边形翼型平直段长度LFlat，头部曲线幂次m。

更进一步地，所述步骤S1中，所述头部曲线方程为y/R＝(x/Lh)m；其中y表示外轮廓曲线的纵坐标。

更进一步地，所述步骤S2中，通过录制宏的形式实现网格自动划分，在第一轮气动设计时，首先将参数化建模生成的几何模型进行网格划分，并通过Glyph2录制宏形式生成网格自动划分脚本mesh.glf文件，此后针对该外形的气动仿真，都可以利用该脚本进行自动网格划分，因此整个气动设计过程中只需划分一次网格。

可选地，所述步骤S2中通过录制宏的形式实现混合网格自动划分，划分混合网格主要是考虑到其既有比拟结构网格的计算精度，又有非结构网格的几何适应性，极其适合网格自动划分，只要首次划分混合网格时保证网格质量，通过录制宏形式记录划分网格的操作，此后即使外形发生较大改变也能自动生成具有同等网格质量的网格。

可选地，所述步骤S2中通过录制宏的形式实现非结构网格的划分。

具体地，所述步骤S3中，所述参数设置程序针对首轮气动设计的某个计算状态进行参数设置，生成控制文件mcfd.inp模板，给定计算状态的高度、马赫数、攻角、侧滑角等参数，生成所有计算状态的参数文件。

与传统的气动设计方法相比，本发明的有益技术效果体现在：

1、基本自动化：气动设计过程中的几何建模、网格划分、计算流体力学仿真以及数据处理等流程都基本实现自动化，大部分工作通过程序自动完成，设计人员主要工作在于设计合理气动外形参数；

2、精确性：网格划分的自动化，以及仿真参数设置的自动化并没有牺牲网格质量以及仿真计算精度，保证仿真结果的精确性；

3、普适性：本发明适用于所有无控气象探测火箭的气动设计过程。

附图说明

图1参数化气动设计流程；

图2气象探测火箭气动外形；

图3为基于参数化的参数设置程序的流程图；

图4为基于参数化的后处理程序流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，参数化气动设计方法流程，提供一种气象探测火箭的参数化气动设计方法方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、基于CATIA参数化建模：基于CATIA用户参数和公式，在CATIA建模过程中通过知识工程模块中的f(x)功能创建各种用户参数以及公式来驱动(即定义)模型；本实施例中所述模型为气象探测火箭，气象探测火箭气动外形如图2所示，气动设计变量包括火箭长度L、火箭半径R、头锥长度Lh、尾翼稍弦长ChrodU、尾翼展长SpanL、尾翼前缘后掠角Sweep、后缘后掠角SweepBack、六边形翼型最大厚度c、六边形翼型平直段长度LFlat，头部曲线幂次m；所述头部曲线方程为y/R＝(x/Lh)^m；

S2、基于Pointwise脚本Glyph2的自动网格划分：基于通用解释型脚本语言Tcl的脚本语言Glyph2，脚本语言Glyph2为Pointwise的功能提供了一个基于文本，面向对象的接口，通过录制宏的形式实现网格自动划分，通过Glyph2录制宏的形式记录首次划分混合网格的形式实现网格自动划分，包括求解器选择，边界条件设置，以及网格输出操作，此后即使外形发生较大改变也能自动生成具有同等网格质量的网格；划分网格给特定的计算流体仿真程序即求解器使用，在本发明中计算流体仿真程序特指CFD++；Glyph2录制宏的形式是Pointwise软件具有的一个录制宏的功能，开启该功能后，Pointwise软件即记录在软件中的所有操作，并在关闭该功能后，自动生成记录所有操作的脚本文件；所述网格自动划分脚本mesh.glf文件生成过程：通过录制宏的形式，Pointwise能够记录软件的操作步骤，并自动生成脚本语言Glyph2所写的脚本文件mesh.glf，该文件记录软件操作步骤，运行脚本文件mesh.glf即可在软件中重复之前的操作步骤；在本实施例中应用时，在第一轮气动设计时，首先将参数化建模生成的几何模型进行混合网格划分，并通过Glyph2录制宏形式生成网格自动划分脚本mesh.glf文件，此后针对该外形的气动仿真，都可以利用该脚本进行自动网格划分，因此整个气动设计过程中只需划分一次网格；

S3、基于参数化的计算流体力学仿真：计算流体力学仿真是气动设计的重要一环，为气动设计提供可靠的分析手段，计算流体力学仿真的状态数量＝马赫数×攻角×侧滑角，仿真状态数量一般在几十-几百个状态不等。计算流体力学仿真一般每个状态需要设置求解方程，初始条件，边界条件，空间离散格式，时间离散格式，计算步数等，如果每轮气动设计，每个仿真状态都需要设置如上参数，势必使得参数设置重复繁琐，并且出现设置参数错误等情况。针对计算流体力学仿真软件CFD++编程开发基于参数化的参数设置程序，CFD++是美国Metacomp公司开发一款用于航空航天、汽车以及生物医学等领域的计算流体力学仿真软件，该软件所有参数通过控制文件mcfd.inp指定，因此所述参数设置程序是通过修改CFD++控制文件mcfd.inp得到每个计算状态的控制文件mcfd.inp，所述控制文件mcfd.inp包含运行CFD++软件所需的必要参数，使用时只需给定计算状态的高度、马赫数、攻角、侧滑角等参数，以及一个控制文件mcfd.inp模板文件，程序即可自动生成所有计算状态的控制文件mcfd.inp；所述控制文件mcfd.inp模板文件是手动设置CFD++软件参数后得到的文件，以后需要设置其它计算状态的CFD++软件参数，只需要修改控制文件mcfd.inp模板文件即可得到其它所有状态的控制文件mcfd.inp；所述基于参数化的参数设置程序，其流程如图3所示，首先给定计算状态的高度、马赫数、攻角、侧滑角等参数，以及一个控制文件mcfd.inp模板文件作为程序输入，模板文件是手动设置CFD++软件参数后得到的文件，然后参数设置程序通过修改模板文件中的对应参数，得到新的控制文件，遍历所有计算状态即可得到所有计算状态对应的控制文件；在本实施例中应用时，针对首轮气动设计的某个计算状态进行参数设置，生成控制文件mcfd.inp模板文件，每次运行参数设置程序之前手动给定计算状态的高度、马赫数、攻角、侧滑角等参数，生成所有计算状态的参数文件(即控制文件mcfd.inp)；

S4、基于参数化的仿真结果后处理：仿真结果是评价气动设计是否满足设计要求的唯一标准，一般需要从计算流体力学仿真结果中提取每个计算状态的轴向力系数，法向力系数，侧向力系数，滚转力矩系数，偏航力矩系数，俯仰力矩系数，阻力系数，升力系数以及压心系数等各项系数，而手动从几十到几百个状态的计算结果中提取出这些信息极其繁琐，浪费时间。本发明针对计算流体力学仿真软件CFD++编程开发了基于参数化的后处理程序，所述基于参数化的后处理程序只需给定高度、马赫数、攻角、侧滑角、参考长度，参考面积和力矩参考点等参数，即可处理得到所有计算状态的各项系数，并形成气动性能数据库。CFD++软件是通过控制文件infout1f.inp指定计算以上系数所需要的参考长度，参考面积，力矩参考点，参考压力，参考密度，参考速度等信息，并通过CFD++的程序infout1f.exe读取控制文件infout1f.inp处理得到单个计算结果的各项系数，因此所述基于参数化的后处理程序是通过给定必要参数生成所有计算状态的控制文件infout1f.inp，并且基于参数化的后处理程序读入所有计算状态控制文件infout1f.inp，并处理数据形成气动性能数据库；所述基于参数化的后处理程序只需给定高度、马赫数、攻角、侧滑角、参考长度，参考面积和力矩参考点等参数，即可处理得到所有计算状态的各项系数，并形成气动性能数据库；所述基于参数化的后处理程序，其流程如图4所示，首先给定计算状态的高度、马赫数、攻角、侧滑角、参考长度，参考面积和力矩参考点参数，然后生成控制文件infout1f.inp，基于参数化的后处理程序调用CFD++软件程序infout1f.exe，生成单个计算状态的气动性能数据文件minfo1_e1，从该文件中提取所需的各项系数，遍历所有计算状态，将所有计算状态得到的各项系数整合得到一起得到气动性能数据库；本实施例应用时，在进行计算流体力学仿真参数设置时，给定高度、马赫数、攻角、侧滑角、参考长度，参考面积和力矩参考点等参数，运行基于参数化的后处理程序，生成计算状态的控制文件infout1f.inp，仿真结束后运行基于参数化的后处理程序生成气动性能数据库，如果满足设计要求，设计任务结束；如果不满足设计要求，返回到S1步骤。

实施例2

本实施例与实施例1相比，不同之处在于：

所述步骤S2中，通过录制宏的形式实现非结构网格的划分，通常划分网格可以划分混合网格，也可划分非结构网格，本实施例的非结构网格同样适合网格自动划分，但在一定程度上可能会导致计算精度下降，在精度要求不高的情况下使用。

其余内容同实施例1.

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种气象探测火箭的参数化气动设计方法方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、基于CATIA参数化建模，基于CATIA用户参数和公式，在CATIA建模过程中通过知识工程模块中的f(x)功能创建各种用户参数以及公式来驱动模型；

S2、基于Pointwise脚本Glyph2的自动网格划分，基于通用解释型脚本语言Tcl的脚本语言Glyph2，通过脚本语言编程或者录制宏的形式实现网格自动划分，通过Glyph2录制宏的形式记录首次划分网格的形式实现网格自动划分，包括求解器选择，边界条件设置，以及网格输出操作。

S3、基于参数化的计算流体力学仿真，针对计算流体力学仿真软件CFD++编程开发基于参数化的参数设置程序，所述参数设置程序是通过修改CFD++控制文件mcfd.inp得到每个计算状态的控制文件，使用时只需给定计算状态的高度、马赫数、攻角、侧滑角等参数，以及一个控制文件mcfd.inp模板文件，程序即可自动生成所有计算状态的控制文件；

S4、基于参数化的仿真结果后处理，针对计算流体力学仿真软件CFD++编程开发了基于参数化的后处理程序，所述基于参数化的后处理程序是通过给定必要参数生成所有计算状态的控制文件infout1f.inp，并且基于参数化的后处理程序读入所有计算状态控制文件infout1f.inp，并处理数据形成气动性能数据库；基于参数化的后处理程序只需给定高度、马赫数、攻角、侧滑角、参考长度，参考面积和力矩参考点等参数，即可处理得到所有计算状态的各项系数，并形成气动性能数据库。

2.根据权利要求1所述的气象探测火箭的参数化气动设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述模型为火箭，气动设计变量包括火箭长度L、火箭半径R、头锥长度Lh、尾翼稍弦长ChrodU、尾翼展长SpanL、尾翼前缘后掠角Sweep、后缘后掠角SweepBack、六边形翼型最大厚度c、六边形翼型平直段长度LFlat，头部曲线幂次m。

3.根据权利要求2所述的气象探测火箭的参数化气动设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述头部曲线方程为y/R＝(x/Lh)^m。

4.根据权利要求3所述的气象探测火箭的参数化气动设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过录制宏的形式实现网格自动划分，在第一轮气动设计时，首先将参数化建模生成的几何模型进行网格划分，并通过Glyph2录制宏形式生成网格自动划分脚本mesh.glf文件，此后针对该外形的气动仿真，都可以利用该脚本进行自动网格划分，因此整个气动设计过程中只需划分一次网格。

5.根据权利要求4所述的气象探测火箭的参数化气动设计方法，其特征在于，所述步骤S2中通过录制宏的形式实现混合网格自动划分，划分混合网格主要是考虑到其既有比拟结构网格的计算精度，又有非结构网格的几何适应性，极其适合网格自动划分，只要首次划分混合网格时保证网格质量，通过录制宏形式记录划分网格的操作，此后即使外形发生较大改变也能自动生成具有同等网格质量的网格。

6.根据权利要求4所述的气象探测火箭的参数化气动设计方法，其特征在于，所述步骤S2中通过录制宏的形式实现非结构网格的划分。

7.根据权利要求4或5或6所述的气象探测火箭的参数化气动设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述参数设置程序针对首轮气动设计的某个计算状态进行参数设置，生成控制文件mcfd.inp模板，给定计算状态的高度、马赫数、攻角、侧滑角等参数，生成所有计算状态的参数文件。

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