CN114756955A

CN114756955A - 一种折叠翼飞行器分离模拟方法

Info

Publication number: CN114756955A
Application number: CN202210206068.XA
Authority: CN
Inventors: 牛健平; 许云涛; 杨晓光; 严晓雪
Original assignee: Beijing Electromechanical Engineering Research Institute
Current assignee: Beijing Electromechanical Engineering Research Institute
Priority date: 2022-03-03
Filing date: 2022-03-03
Publication date: 2022-07-15

Abstract

本发明提供了一种折叠翼飞行器分离模拟方法，该飞行器包括飞行器本体和助推器，飞行器本体包括机身以及与机身铰链连接的折叠翼，方法包括：根据飞行器的外形生成飞行器网格模型；根据折叠翼的给定运动规律建立飞行器运动模型；基于飞行器网格模型以分离窗口的飞行条件为约束条件进行定常流体计算以得到收敛流场；基于飞行器网格模型和飞行器运动模型以收敛流场作为初始条件进行非定常分离模拟计算，在折叠翼展开到位并且达到预设终止条件时停止模拟计算以得到分离模拟数据。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中数值模拟方法不适用于折叠翼飞行器分离过程模拟的技术问题。

Description

一种折叠翼飞行器分离模拟方法

技术领域

本发明涉及折叠翼飞行器技术领域，尤其涉及一种折叠翼飞行器分离模拟方法。

背景技术

折叠翼能够缩小飞行器的横向尺寸，节省发射装置的贮运空间，便于箱筒式发射，增加车辆、舰艇和飞机的运载能力，提高装备的综合效能。飞行器折叠翼的展开过程如图3至图6所示，在运载状态下，飞行器的翼处于折叠状态以减小外形尺寸；在发射过程中，当飞行器离开发射平台一定距离后，折叠翼按照时序展开以改善飞行器的气动性能和飞行性能。在此过程中需要满足分离安全性的要求，即飞行器在发射过程中不能与平台发生碰撞，同时又需要满足与助推器分离后的起控姿态要求。因此分离技术是折叠翼飞行器研制过程中的一项关键技术。

目前研究飞行器与助推器分离的方法主要有飞行试验、地面试验及数值模拟三大类。其中，飞行试验耗资大，准备时间长，且具有一定的危险性，地面试验主要包括捕获轨迹风洞试验等，难以模拟折叠翼动态展开的过程，而数值模拟的方法成本低、耗时短、获取的数据多，已成为先期研究不可或缺的重要手段。

但是目前工程上通过数值模拟方法研究分离问题时，主要采用将流场求解器和刚体六自由度运动方程相耦合的流体力学计算方法，前者用于求解流体动力，后者用于求解运动，因此物体在分离过程中的受力状态与运动状态严格对应，由牛顿运动定律所决定。而对于存在折叠翼展开的分离问题，由于总体输入中可能直接给定折叠翼部分的运动规律，其并非纯六自由度运动体，因此现有的数值模拟方法不适用于折叠翼飞行器的分离问题研究。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题之一，本发明提供了一种折叠翼飞行器分离模拟方法。

根据本发明的一方面，提供了一种折叠翼飞行器分离模拟方法，飞行器包括飞行器本体和助推器，飞行器本体包括机身以及与机身铰链连接的折叠翼，方法包括：

根据飞行器的外形生成飞行器网格模型；

根据折叠翼的给定运动规律建立飞行器运动模型；

基于飞行器网格模型以分离窗口的飞行条件为约束条件进行定常流体计算以得到收敛流场；

基于飞行器网格模型和飞行器运动模型以收敛流场作为初始条件进行非定常分离模拟计算，在折叠翼展开到位并且达到预设终止条件时停止模拟计算以得到分离模拟数据。

进一步地，折叠翼的给定运动规律为驱动扭矩，建立的飞行器运动模型为具有预设自由度的刚体模型与扭簧模型组成的复合模型，其中机身和折叠翼均为刚体模型，机身和折叠翼之间的扭矩为扭簧模型。

进一步地，扭簧模型为M＝f(θ)，其中，M表示折叠翼受到的驱动扭矩，θ表示折叠翼的张开角度。

进一步地，折叠翼的给定运动规律为运动速率，建立的飞行器运动模型为具有预设自由度的的刚体模型。

进一步地，预设自由度包括X轴方向的位移、Y轴方向的位移、Z轴方向的位移、绕X轴的转角、绕Y轴的转角以及绕Z轴的转角。

进一步地，根据飞行器的外形生成飞行器网格模型包括：

根据机身外形生成机身网格模型；

根据折叠翼外形生成折叠翼网格模型；

根据助推器外形生成助推器网格模型；

利用重叠网格技术将机身网格模型、折叠翼网格模型以及助推器网格模型以预设物面距离约束组合形成飞行器网格模型。

进一步地，预设物面距离约束为：机身网格模型、折叠翼网格模型以及助推器网格模型中任意两者的物面距离最近处均大于或等于5mm并且小于或等于10mm。

进一步地，根据飞行器的外形生成飞行器网格模型还包括：根据预设分离轨迹对组合形成的飞行器网格模型进行局部网格加密处理。

进一步地，预设终止条件为非定常分离模拟计算的迭代步数达到第一阈值和/或计算时间达到第二阈值。

进一步地，定常流体计算和非定常分离模拟计算所用流体控制方程均为雷诺平均N-S方程。

应用本发明的技术方案，提供了一种折叠翼飞行器分离模拟方法，该方法通过根据飞行器的外形建立飞行器网格模型，以及根据折叠翼的给定运动规律建立飞行器运动模型，先利用定常流体计算得到收敛流场，再将该收敛流场作为初始条件进行非定常分离模拟计算，能够高效、准确地模拟给定折叠翼运动规律的折叠翼飞行器的分离过程，该方法通用性强，便于实际工程应用。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的折叠翼飞行器分离模拟方法的流程示意图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的折叠翼飞行器分离模拟方法的逻辑示意图；

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的折叠翼飞行器的翼折叠状态俯视图；

图4示出了根据本发明的具体实施例提供的折叠翼飞行器的翼折叠状态主视图；

图5示出了根据本发明的具体实施例提供的折叠翼飞行器的翼展开状态俯视图；

图6示出了根据本发明的具体实施例提供的折叠翼飞行器的翼展开状态主视图；

图7示出了根据本发明的具体实施例提供的飞行器网格模型生成过程示意图；

图8示出了根据本发明的具体实施例提供的折叠翼和机身的连接关系示意图；

图9示出了根据本发明的具体实施例提供的折叠翼和机身的抽象关系示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1和图2所示，根据本发明的具体实施例提供了一种折叠翼飞行器分离模拟方法，飞行器包括飞行器本体和助推器，飞行器本体包括机身以及与机身铰链连接的折叠翼，该方法包括：

S1，根据飞行器的外形生成飞行器网格模型；

S2，根据折叠翼的给定运动规律建立飞行器运动模型；

S3，基于飞行器网格模型以分离窗口的飞行条件为约束条件进行定常流体计算以得到收敛流场；

S4，基于飞行器网格模型和飞行器运动模型以收敛流场作为初始条件进行非定常分离模拟计算，在折叠翼展开到位并且达到预设终止条件时停止模拟计算以得到分离模拟数据。

本发明中，定常流体计算和非定常分离模拟计算所用流体控制方程根据需要选用，例如均选用雷诺平均N-S方程。分离计算前，先通过定常计算使流场收敛，再作为初始条件开展非定常计算，兼顾了高效率和结果的准确性。此外，作为本发明的一个具体实施例，预设终止条件为非定常分离模拟计算的迭代步数达到第一阈值和/或计算时间达到第二阈值。其中第一阈值和第二阈值的具体值根据实际需要进行确定。

应用此种配置方式，提供了一种折叠翼飞行器分离模拟方法，该方法通过根据飞行器的外形建立飞行器网格模型，以及根据折叠翼的给定运动规律建立飞行器运动模型，先利用定常流体计算得到收敛流场，再将该收敛流场作为初始条件进行非定常分离模拟计算，能够高效、准确地模拟给定折叠翼运动规律的折叠翼飞行器的分离过程，该方法通用性强，便于实际工程应用。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中数值模拟方法不适用于折叠翼飞行器分离过程模拟的技术问题。

本发明中，当折叠翼的给定运动规律不同时，建立的运动模型也不相同。本发明一实施例中，折叠翼的给定运动规律为驱动扭矩，建立的飞行器运动模型为具有预设自由度的刚体模型与扭簧模型组成的复合模型，其中机身和折叠翼均为刚体模型，机身和折叠翼之间的扭矩为扭簧模型，通过动力学关系计算折叠翼的运动，其运动除与驱动扭矩有关外，还与折叠翼自身重力以及外界阻力有关。

基于上述实施例，扭簧模型为M＝f(θ)，其中，M表示折叠翼受到的驱动扭矩，θ表示折叠翼的张开角度，f(θ)为描述M与θ之间关系的函数，该函数可为线性函数或非线性函数。

本发明另一实施例中，折叠翼的给定运动规律为运动速率，建立的飞行器运动模型为具有预设自由度的的刚体模型，通过动力学关系计算折叠翼的运动。这里所指运动速率可以是折叠翼的转速，在这种情况下，折叠翼按照给定的运动速率相对于机身运动，其运动与受力无关。

以上两种运动模型中刚体模型的预设自由度根据折叠翼的结构和运动方式确定，例如本发明实施例中，预设自由度包括X轴方向的位移、Y轴方向的位移、Z轴方向的位移、绕X轴的转角、绕Y轴的转角以及绕Z轴的转角，即机身和折叠翼均为具有六个自由度的刚体模型。通过此种方式，即可通过求解流体控制方程实现对流场的模拟，通过刚体六自由度运动方程和重叠网格实现对运动的模拟。

进一步地，根据飞行器的外形生成飞行器网格模型包括：

根据机身外形生成机身网格模型；

根据折叠翼外形生成折叠翼网格模型；

根据助推器外形生成助推器网格模型；

为便于更清楚的理解本发明所提供的模拟方法，以下将以实际应用举例，对上述各流程做详细说明，本领域相关技术人员当可知，该实例仅为便于更清楚的理解本发明所提供的模拟方法，并不对其做任何技术限定。

请参考图3至图6所示的折叠翼飞行器实例，飞行器本体10包括飞行器本体11以及设置在其上的折叠翼12，在飞行器本体10与助推器20分离的过程中，折叠翼12由图3和图4的折叠状态逐步展开直至展开到位，呈图5和图6的展开状态。飞行器网络模型生成过程如图7所示，先分别生成机身网格模型B、助推器网格模型T以及折叠翼网格模型W，再利用重叠网格技术将三者组合为重叠网格，即飞行器网格模型。

其中，网格T、B和W交界处网格尺寸基本一致，为了进一步提高模拟计算的精度，根据飞行器的外形生成飞行器网格模型还包括：根据预设分离轨迹对组合形成的飞行器网格模型进行局部网格加密处理。也就是说，在预期的分离轨迹上对网格进行加密，提高网格密度。网格划分工具可以选用Gambit、ICEM、Pointwise、HyperMesh、STAR等，划分的网格可以是结构网格、非结构网格或者混合网格。

进一步地，预设物面距离约束为：机身网格模型、折叠翼网格模型以及助推器网格模型中任意两者的物面距离最近处均大于或等于5mm并且小于或等于10mm。也就是说，在对网格T、B和W进行组合时，彼此之间物面距离最近处留出一定的间隙，例如5～10mm，通过这种方式，能够避免网格模型出现狭缝，改善数值计算的收敛性和稳定性。

请参考图8折叠翼12与飞行器本体11的连接方式实例，折叠翼12通过铰链13与飞行器本体11进行连接，两者在铰链所在位置保持位移相同，作用力和反作用力等大反向，如图9所示，飞行器本体11上处于铰链位置的位移ΔX_b、ΔY_b、ΔZ_b与折叠翼12上处于铰链位置的位移ΔX_w、ΔY_w、ΔZ_w一一对应相等，作用力Fx_w、Fy_w、Fz_w与反作用力Fx_b、Fy_b、Fz_b一一对应，等大反向。当折叠翼展开到位后，折叠翼与机身刚性固连，与机身做相同的运动。

综上所述，本发明提供了一种折叠翼飞行器分离模拟方法，该方法通过根据飞行器的外形建立飞行器网格模型，以及根据折叠翼的给定运动规律建立飞行器运动模型，先利用定常流体计算得到收敛流场，再将该收敛流场作为初始条件进行非定常分离模拟计算，能够高效、准确地模拟给定折叠翼运动规律的折叠翼飞行器的分离过程，解决了预设相对运动与六自由度运动耦合、给定扭矩运动模拟、给定转速运动模拟等关键难点问题，该方法通用性强，便于实际工程应用。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中数值模拟方法不适用于折叠翼飞行器分离过程模拟的技术问题。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种折叠翼飞行器分离模拟方法，其特征在于，所述飞行器包括飞行器本体和助推器，所述飞行器本体包括机身以及与所述机身铰链连接的折叠翼，所述方法包括：

根据所述飞行器的外形生成飞行器网格模型；

根据所述折叠翼的给定运动规律建立飞行器运动模型；

基于所述飞行器网格模型以分离窗口的飞行条件为约束条件进行定常流体计算以得到收敛流场；

基于所述飞行器网格模型和所述飞行器运动模型以所述收敛流场作为初始条件进行非定常分离模拟计算，在所述折叠翼展开到位并且达到预设终止条件时停止模拟计算以得到分离模拟数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述折叠翼的给定运动规律为驱动扭矩，建立的飞行器运动模型为具有预设自由度的刚体模型与扭簧模型组成的复合模型，其中所述机身和所述折叠翼均为刚体模型，所述机身和所述折叠翼之间的扭矩为扭簧模型。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述扭簧模型为M＝f(θ)，其中，M表示所述折叠翼受到的驱动扭矩，θ表示所述折叠翼的张开角度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述折叠翼的给定运动规律为运动速率，建立的飞行器运动模型为具有预设自由度的的刚体模型。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述预设自由度包括X轴方向的位移、Y轴方向的位移、Z轴方向的位移、绕X轴的转角、绕Y轴的转角以及绕Z轴的转角。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述飞行器的外形生成飞行器网格模型包括：

根据所述机身外形生成机身网格模型；

根据所述折叠翼外形生成折叠翼网格模型；

根据所述助推器外形生成助推器网格模型；

利用重叠网格技术将所述机身网格模型、所述折叠翼网格模型以及所述助推器网格模型以预设物面距离约束组合形成飞行器网格模型。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预设物面距离约束为：所述机身网格模型、所述折叠翼网格模型以及所述助推器网格模型中任意两者的物面距离最近处均大于或等于5mm并且小于或等于10mm。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述飞行器的外形生成飞行器网格模型还包括：根据预设分离轨迹对组合形成的飞行器网格模型进行局部网格加密处理。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预设终止条件为非定常分离模拟计算的迭代步数达到第一阈值和/或计算时间达到第二阈值。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述定常流体计算和所述非定常分离模拟计算所用流体控制方程均为雷诺平均N-S方程。