CN112131665B - 一种基于网格分类的火箭流固载荷混合转换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于网格分类的火箭流固载荷混合转换方法，包括以下步骤：1)筛选流体模型中与结构模型外形不吻合区域的不一致气动点；2)将所有不一致气动点投影至结构模型节点组成的面内；3)获取外形不一致区域内的结构点；4)对于外形不一致区域的结构点采用力等效法进行载荷转换，其载荷来自第1)中的不一致气动点，其余的结构点作为外形一致区域的结构点，其载荷采用压力插值法进行插值，插值的输入为第1)步中的一致气动点。与现有技术相比，本发明具有自动识别、准确建模、符合工程实际等优点。

Description

一种基于网格分类的火箭流固载荷混合转换方法
技术领域
本发明涉及火箭结构设计领域，尤其是涉及一种基于网格分类的火箭流固载荷混合转换方法。
背景技术
在进行火箭结构设计时，需要将气动载荷转换为结构载荷，在火箭结构流体载荷向结构载荷转换的过程中，现有的转换方法采用反距离插值法、面样条插值法、Kriging插值法和BP神经网络插值法等压力插值方法，上述方法的优点是可以保证插值后的压力分布准确，但是缺点是要求流体模型和结构模型的几何外表面保持一致；采用力等效法将流体模型节点上的力等效到结构模型的节点上，该方法的优点是不需要保证流体模型和结构模型的几何外表面一致，但缺点是在分配范围内可保证合力、合力矩相等，但是力分布规律的准确性相对较差。
针对三维运载火箭复杂表面气动压力载荷转换的问题，为了便于结构分析工作，通常会建立简化的结构模型，然而，流体载荷计算模型通常是考虑火箭外表面细节形状的，因此火箭的流体模型和结构模型几何外表面会出现很多不一致的区域。
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基于网格分类的火箭流固载荷混合转换方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于网格分类的火箭流固载荷混合转换方法，包括以下步骤：
1)筛选流体模型中与结构模型外形不吻合区域的不一致气动点；
2)将所有不一致气动点投影至结构模型节点组成的面内；
3)获取外形不一致区域内的结构点；
4)对于外形不一致区域的结构点采用力等效法进行载荷转换，其载荷来自第1)中的不一致气动点，其余的结构点作为外形一致区域的结构点，其载荷采用压力插值法进行插值，插值的输入为第1)步中的一致气动点。
所述的步骤1)中，在构建结构模型的有限元模型时，忽略表面凸起的整流罩，仅保留主承力结构。
所述的步骤1)具体为：
获取每个气动点到火箭轴心的距离Rf，在火箭轴向有变直径区域内获取气动点在轴向左右距离最近的两个结构点，采用点斜式建立该两个结构点组成的直线方程，根据该方程获得气动点所在轴向位置处的基准半径Rb，设定门槛值δcr，若|Rb-Rf|＞δcr则认为该气动点与结构模型外表面不吻合，即为不一致气动点，反之，则认定为一致气动点。
所述的门槛值δcr为0.01m，具体根据模型确定。
所述的步骤2)具体为：
按照基准半径Rb和气动点到火箭轴心的距离Rf的比例计算得到投影至面内的气动点的y、z坐标值，则有：
Figure BDA0002698099080000021
Figure BDA0002698099080000022
式中，(y1，z1)为面外气动点的坐标值，(y0，z0)为面外气动点投影到面内后的坐标值。
所述的步骤3)中，将距离不一致气动点在面内的投影点最近的结构点作为不一致区域的结构点。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明根据火箭外形特性，将流体模型和结构模型的网格自动分为两类，即对于流体模型外表面与结构简化模型外表面一致的网格区域，采用压力插值法，保证对应区域的压力分布准确，火箭上的整流罩等，由于不是主承力结构，在结构简化时略去，对于这种区域，流体模型与结构模型外形不一致，则采用力等效法插值，得出对应区域的节点力，本发明提出的压力插值法和力等效法的混合法，能自动识别出流体模型和结构模型外表面是否重合，从而采用不同插值方法，使其更符合工程实际。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为气动点与结构模型一致性判断方法示意图。
图3为面外气动点向面内投影过程。
图4为火箭外形及气动载荷压力分布图。
图5为混合法有限元模型。
图6为结构点和不一致区域气动点整体分布图。
图7为原有结构点和不一致的流体点投影到面内后的结果。
图8为压力插值的结构点和力等效法转换的结构点分布图。
图9为不一致区域施加的节点力载荷分布。
图10为一致区域施加的压力载荷分布。
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。
如图1所示，本发明提供一种基于网格分类的火箭流固载荷混合转换方法，该方法包括以下步骤：
一、区分不一致的气动点。计算出每个气动点、结构点到火箭轴心的距离，由于火箭沿轴向(x向)有变直径区域，通过查找每个气动点在轴向最近的两个结构点，其中一个结构点在气动点的左边，一个结构点在其右边，采用点斜式建立上述两个结构点组成的直线方程(如图2所示)，通过该方程求出气动点所在x向位置处的基准半径Rb，此时，若|Rb-Rf|＞δcr则认为该气动点与结构模型不一致，反之，则认为该气动点与结构模型外表面一致，式中δcr为判断一点是否在面内的门槛值。
二、将不一致区域气动点投影至结构模型节点组成的面内，如图3所示，按Rb和Rf比例求出投影至面内的气动点的y、z坐标值，即：
Figure BDA0002698099080000031
Figure BDA0002698099080000032
式中，y1、z1为面外气动点的坐标值，y0、z0为面外气动点投影到面内后的坐标值。
三、找出外形不一致区域内的结构点。寻找距第二步中得出的距投影点最近的结构点，该结构点组成的集合即为不一致区域的结构点。
四、对于不一致区域的结构点采用力等效法进行载荷转换，载荷来自第一步中的不一致气动点，其余的结构点为一致区域的结构点，该类结构点采用压力插值法进行插值，插值的输入为第一步中求出的一致气动点。
实施例
以某型运载火箭为例，火箭外形及某飞行状态下的气动压力分布如图4所示。利用该工况得出的压力分布向结构有限元网格进行插值转换。
在建立结构模型时，一些表面凸起的整流罩忽略不建，只保留主承力结构，其有限元模型如图5所示。
首先按照第一步，区分出不与有限元模型吻合的气动点，δcr取值为0.01。得到与气动点不吻合的流体网格点以及有限元网格点如图6所示，可见这些不一致的点主要在整流罩的位置。
按照第二步，将不一致区域气动点投影至结构点组成的面内，得到如图7所示结果。
根据第三步，找出不一致区域结构点。寻找距第二步中得出的距投影点最近的结构点，这些点用力等效法进行载荷转换，其余的结构点为一致区域的结构点，用压力插值法进行载荷转换。如图8所示。
第四步，对于不一致区域的结构点，采用力等效法计算其结构点上的载荷，原始载荷来自第一步中的不一致气动点。对于一致区域，采用压力插值法进行插值，本例使用反距离插值法。不一致区域的节点力载荷分布如图9所示，其中黑色区域为不一致区域，该区域不进行力等效法转换。一致区域的压力载荷分布如图10所示，其中黑色区域为不一致区域，没有压力，在结构分析时，最终载荷为这两种情况的叠加。

Claims (5)

1.一种基于网格分类的火箭流固载荷混合转换方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)筛选流体模型中与结构模型外形不吻合区域的不一致气动点，具体为：
获取每个气动点到火箭轴心的距离Rf，在火箭轴向有变直径区域内获取气动点在轴向左右距离最近的两个结构点，采用点斜式建立该两个结构点组成的直线方程，根据该方程获得气动点所在轴向位置处的基准半径Rb，设定门槛值δcr，若 Rb-Rf|＞δcr则认为该气动点与结构模型外表面不吻合，即为不一致气动点，反之，则认定为一致气动点；
2)将所有不一致气动点投影至结构模型节点组成的面内；
3)获取外形不一致区域内的结构点；
4)对于外形不一致区域的结构点采用力等效法进行载荷转换，其载荷来自第1)中的不一致气动点，其余的结构点作为外形一致区域的结构点，其载荷采用压力插值法进行插值，插值的输入为第1)步中的一致气动点。
2.根据权利要求1所述的一种基于网格分类的火箭流固载荷混合转换方法，其特征在于，所述的步骤1)中，在构建结构模型的有限元模型时，忽略表面凸起的整流罩，仅保留主承力结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于网格分类的火箭流固载荷混合转换方法，其特征在于，所述的门槛值δcr为0.01m。
4.根据权利要求1所述的一种基于网格分类的火箭流固载荷混合转换方法，其特征在于，所述的步骤2)具体为：
按照基准半径Rb和气动点到火箭轴心的距离Rf的比例计算得到投影至面内的气动点的y、z坐标值，则有：
Figure FDA0003594748870000011
Figure FDA0003594748870000012
式中，(y1，z1)为面外气动点的坐标值，(y0，z0)为面外气动点投影到面内后的坐标值。
5.根据权利要求1所述的一种基于网格分类的火箭流固载荷混合转换方法，其特征在于，所述的步骤3)中，将距离不一致气动点在面内的投影点最近的结构点作为不一致区域的结构点。
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