CN115422648A - 一种机弹分离和弹翼展开过程的动网格仿真模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种机弹分离和弹翼展开过程的动网格仿真模拟方法，该方法主要针对工程应用中采用fluent商业软件进行动网格仿真过程中很难准确仿真机弹分离过程中的导弹6dof飞行同时弹翼相对于弹体展开过程的问题，通过带相对运动的动网格仿真，实现了在商业软件中对机弹分离+弹翼展开的过程进行准确的动网格仿真模拟。

Description

一种机弹分离和弹翼展开过程的动网格仿真模拟方法

技术领域

本发明涉及流体仿真技术领域，具体为一种机弹分离和弹翼展开过程的动网格仿真模拟方法。

背景技术

在航空航天领域，机弹分离问题是尤其重要的，机弹分离的安全性，直接关系到载机的安全。因此，科研人员在进行设计的时候，会采用动网格方法计算分析导弹与载机分离后导弹的轨迹和姿态变化，确保载机的安全。

为了便于储藏，便于安装，导弹往往会采用弹翼折叠的挂载方式，导弹从载机下方发射后，弹翼展开，在控制系统的作用下飞行或者无控飞行。

导弹发射后，弹翼展开，同时导弹做6dof运动，整个过程是很难进行模拟的，有些科研人员采用自己编写的软件来计算机弹分离过程中导弹的位移和姿态。而在工程中，工程人员经常使用商业软件如fluent进行计算，但是使用fluent商业软件无法准确的获得机弹分离过程中弹的受力情况，因为机弹分离过程中，存在弹体做6dof运动以及弹翼做相对与弹体的运动，但fluent软件仅计算弹体的受力，不计算弹翼的受力，所以采用fluent软件很难准确的模拟导弹6dof分离同时弹翼相对于弹体展开的过程。而弹翼展开的过程发生在机弹分离的初期，导弹与载机之间存在很强的气动干扰，所以需要比较准确的模拟机弹分离的过程，为气动和控制设计提供参考。

发明内容

针对工程应用中采用fluent商业软件进行动网格仿真过程中很难准确仿真机弹分离过程中的导弹6dof飞行同时弹翼相对于弹体展开过程的问题，本发明提出一种机弹分离和弹翼展开过程的动网格仿真模拟方法，通过带相对运动的动网格仿真，实现对机弹分离+弹翼展开的过程进行动网格仿真模拟，例如用于周向折叠弹翼展开、轴向折叠翼展开、上单或下单翼折叠机翼展开等，为工程人员提供更加可靠的仿真数据。

本发明的技术方案为：

步骤1：根据待分析导弹的尺寸参数，在三维构型软件中绘制待分析导弹的三维模型；所述三维模型包括弹体、折叠弹翼、弹翼转动机构的三维模型；

步骤2：在三维模型中将弹翼转动机构去除，仅留下弹体和折叠弹翼；

步骤3：在三维构型软件中单独对弹体三维模型建立计算域1，计算域1包括弹体壁面和弹体嵌套网格边界，并导出为.stp格式的文件；在三维构型软件中单独对折叠弹翼三维模型建立计算域2，计算域2包括弹翼壁面和弹翼嵌套网格边界，并导出为.stp格式的文件；在三维构型软件中建立压力远场计算域3，并导出为.stp格式的文件，计算域3的尺寸包围整个计算域1和计算域2；

步骤4：将弹体的.stp文件导入前处理软件中划分网格，将弹体壁面、弹体嵌套网格边界、以及弹体壁面与弹体嵌套网格边界之间的区域定义为不同的part，并分别命名，导出为弹体.msh文件；将弹翼的.stp文件导入前处理软件中划分网格，将弹翼壁面、弹翼嵌套网格边界、以及弹翼壁面与弹翼嵌套网格边界之间的区域定义为不同的part，并分别命名，导出为弹翼.msh文件；将压力远场的.stp文件导入前处理软件中划分网格，将压力远场边界和压力远场内部的区域定义为不同的part，并分别命名，导出为压力远场.msh文件；

步骤5：将压力远场.msh文件作为背景网格导入CFD软件中，再将弹体.msh和弹翼.msh作为组件网格导入CFD软件中；在CFD软件中设置来流条件、湍流模型、边界条件，初始化后进行定常计算，获得稳定的初始流场，作为进行非定常计算的初始值；

步骤6：设置CFD软件为计算非定常状态；对于弹翼转动运动，采用CFD软件中名称为define_cg_motion的第一udf程序，并在所述第一udf程序中设置弹翼的旋转速度、旋转开始和结束的时间；在CFD软件中的动网格界面，设置弹翼的网格类型为刚体，并加载所述第一udf程序；对于弹体在空中飞行做6dof运动，采用CFD软件中名称为define_sdof_properties的第二udf程序，并在所述第二udf程序中设置导弹的质量和转动惯量，同时在所述第二udf程序中编写以下过程：在每个时间步内，使用Compute_Force_And_Moment函数获取弹翼受到的气动力和作用点，并将所述气动力转化到弹体质心上，作为外力加载到弹体上；在CFD软件中的动网格界面，设置弹体的网格类型为刚体，并加载所述第二udf程序；在弹翼的动网格设置界面中设置相对于弹体的运动，相对速度为所述第一udf程序中设置的旋转速度；

步骤7：设置非定常计算的时间步长和仿真时间，开始非定常计算，并输出每一个时间步的位移和姿态。

有益效果

本发明提出的机弹分离和弹翼展开过程的动网格仿真模拟方法，通过带相对运动的动网格仿真，实现了在商业软件中对机弹分离+弹翼展开的过程进行准确的动网格仿真模拟。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：本发明的流程步骤图；

图2：模型处理及网格划分步骤图；

图3：软件设置及定常计算步骤图；

图4：非定常计算步骤图；

图5：导弹外形示意图；

图6：嵌套网格示意图；

图7：导弹模型壁面网格示意图；

图8：压力远场区域网格示意图；

图9：实施例1中的残差和气动系数示意图；

图10：动网格界面；

图11：实施例2中的弹体网格；

图12：实施例2中的弹翼网格；

图13：实施例2中的残差和气动系数示意图；

图14：动网格界面；

图15：case1和case2的弹的x位移示意图；

图16：case1和case2的弹的y位移示意图；

图17：case1和case2的弹的姿态示意图。

具体实施方式

本发明针对工程应用中采用fluent商业软件进行动网格仿真过程中很难准确仿真机弹分离过程中的导弹6dof飞行同时弹翼相对于弹体展开过程的问题，提出了一种机弹分离和弹翼展开过程的动网格仿真模拟方法，包括以下步骤：

1、根据待分析导弹的尺寸参数，在三维构型软件如catia中绘制待分析导弹的三维模型；所述三维模型包括弹体、折叠弹翼、弹翼转动机构的三维模型。

2、在三维模型中将弹翼转动机构去除，仅留下弹体和折叠弹翼；因为在fluent商业软件中，带有转动机构无法进行弹翼旋转的动网格计算。

3、在catia软件中单独对弹体三维模型建立计算域1，计算域1包括弹体壁面和弹体嵌套网格边界，并导出为.stp格式的文件。

4、在catia软件中单独对折叠弹翼三维模型建立计算域2，计算域2包括弹翼壁面和弹翼嵌套网格边界，并导出为.stp格式的文件。

5、在catia软件中建立压力远场计算域3，并导出为.stp格式的文件，计算域3的尺寸必须包围整个计算域1和计算域2。

6、将弹体的.stp文件导入前处理软件如icem软件中划分网格，将弹体壁面、弹体嵌套网格边界、以及弹体壁面与弹体嵌套网格边界之间的区域定义为不同的part，并分别命名，导出为弹体.msh文件。

7、将弹翼的.stp文件导入icem软件中划分网格，将弹翼壁面、弹翼嵌套网格边界、以及弹翼壁面与弹翼嵌套网格边界之间的区域定义为不同的part，并分别命名，导出为弹翼.msh文件。

8、将压力远场的.stp文件导入icem软件中划分网格，将压力远场边界和压力远场内部的区域定义为不同的part，并分别命名，导出为压力远场.msh文件。

9、将压力远场.msh文件作为背景网格导入CFD软件如fluent中，再将弹体.msh和弹翼.msh作为组件网格导入fluent中。在fluent中设置来流条件、湍流模型、边界条件，初始化后进行定常计算，获得稳定的初始流场，这个稳定的流场是进行非定常计算的初始值。

10、设置fluent软件为计算非定常状态，这里我们根据工程经验简化弹翼转动速度为匀速旋转运动，对于弹翼转动运动，采用fluent软件中名称为define_cg_motion的udf程序，并在udf程序中设置弹翼的旋转速度、旋转开始和结束的时间；在fluent中的动网格界面，设置弹翼的网格类型为刚体，并加载上述名称为define_cg_motion的udf程序；

11、对于弹体在空中飞行做6dof运动，采用fluent软件中名称为define_sdof_properties的udf程序，并在udf程序中设置导弹的质量和转动惯量，同时在udf程序中编写以下过程：在每个时间步内，使用Compute_Force_And_Moment函数获取弹翼受到的气动力和作用点，并将该气动力转化到弹体质心上，作为外力加载到弹体上；在fluent中的动网格界面，设置弹体的网格类型为刚体，并加载上述名称为define_sdof_properties的udf程序；

12、在弹翼的动网格设置界面中设置相对于弹体的运动，相对速度为名称为define_cg_motion的udf程序中设置的旋转速度；

13、设置非定常计算的时间步长和仿真时间，开始非定常计算，并输出每一个时间步的位移和姿态。

下面通过两个案例case1和case2进行对比，说明计算方法的准确性。其中case1是对完整弹进行动网格计算，计算弹在某初速度和角速度的情况下6dof运动的轨迹和姿态。case2是将转轴去除，采用本发明中的方法，将弹分为弹体和弹翼2个部分进行动网格计算，计算弹在某初速度和角速度的情况下6dof运动的轨迹和姿态。为了便于比较，弹翼与弹体之间没有相对运动。

case1：

1、在catia中绘制弹的外形，外形尺寸如图5所示，单位为mm。其中弹体长度为1000mm，弹体直径为200mm，弹体头部为尖拱形，长度为300mm，弹体尾部凹槽直径为160mm，长度为200mm。弹翼形状为卷弧型，展长为150mm，外翼面半径为100mm，弹翼厚度为10mm，弹翼翼根翼梢直径是10mm，弹翼圆弧角为90°。转轴位于弹身和弹翼之间连接处，转轴直径为10mm，长度为50mm。

2、在模型中绘制嵌套网格边界，边界形状尺寸如图6所示，单位为mm。其中直径为10000mm，长度为15000mm。

3、将模型导出为.stp文件作为中间格式，以便导入到icem中划分网格。

4、在icem软件中对导弹模型表面和嵌套网格边界及之间的内部区域划分三维非结构化网格，生成后的导弹模型壁面网格如图7所示。

5、将网格从icem软件中导出为dan.msh文件作为中间格式，以便导入到fluent软件中进行计算。

6、在icem中绘制长方体的压力远场区域，压力远场区域的尺寸为50000mm*30000mm*30000mm，压力远场区域的网格如图8所示。

7、将网格从icem软件中导出为farfeild.msh文件作为中间格式，以便导入到fluent软件中进行计算。

8、在fluent中分别导入压力远场的网格文件和导弹的网格文件，在fluent中分别依次进行如下设置：

9、计算2000步后，根据残差和气动系数是否收敛判断整个流场是否收敛，如图9所示。

10、定常计算完成后，需要在定常计算的稳定流场基础上进行非定常计算，需将编写好的udf文件导入同时进行非定常状态设置。

11、udf采用DEFINE_SDOF_PROPERTIES这个udf函数，在函数中定义如下参数：

质量	201.971kg
		X方向转动惯量	1.079kg·m<sup>2</sup>
Y方向转动惯量	13.104kg·m<sup>2</sup>
		Z方向转动惯量	13.104kg·m<sup>2</sup>

12、在动网格中，选择6dof模型，并打开重力，设置重力的方向。

13、在动网格界面上，对需要运动的边界及网格进行设置，设置如图10所示。

类型全部选择刚体，属性选择导入的udf，6自由度一栏全部勾选开启，对于int_fluent_dan1和overset_dan1需勾选被动，重心速度为(-10，5，0)m/s，刚体角速度为(0，0-1)rad/s。

14、计算时间步长为0.001，计算时间步为100步。

15、计算完成后查看弹运动的位移和姿态。

case2:

1、case2和case1采用的模型不同，case2去掉转轴，并且将弹翼和弹体分别分为2个部分划分网格，如图11和图12所示。外流场尺寸、网格导出、fluent中的软件设置同case1。

2、计算2000步后，根据残差和气动系数是否收敛判断整个流场是否收敛，如图13所示。

3、定常计算完成后，需要在定常计算的稳定流场基础上进行非定常计算，需将编写好的udf文件导入同时进行非定常状态设置。

4、弹翼采用DEFINE_CG_MOTION这个udf函数，定义弹翼的相对弹体的速度为0，弹体采用DEFINE_SDOF_PROPERTIES这个udf函数，定义弹体的质量和转动惯量，质量和转动惯量同case1，同时采用Compute_Force_And_Moment这个函数获取每一个时间步内弹翼面心处的力和力矩，并将其转化为弹体质心位置的力和力矩，作为外力加载到弹体上。

5、动网格界面内，弹翼相对运动的设置如图14所示。

弹体的设置同case1，弹翼需选择DEFINE_CG_MOTION这个udf函数，同时取消6自由度选项，勾选相对运动，相对运动选择弹体。

6、计算时间步长为0.001，计算时间步为100步。

7、计算完成后查看弹运动的位移和姿态。

结果比较：

图15～图17是0.1s内，case1和case2分别计算的弹的位移和姿态，从上图中可以看出，case1和case2使用的2种不同计算方法下，x、y方向的位移和俯仰角接近，说明采用case2的方法能在简化模型的基础上同时保证计算准确。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种机弹分离和弹翼展开过程的动网格仿真模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据待分析导弹的尺寸参数，在三维构型软件中绘制待分析导弹的三维模型；所述三维模型包括弹体、折叠弹翼、弹翼转动机构的三维模型；

步骤2：在三维模型中将弹翼转动机构去除，仅留下弹体和折叠弹翼；

步骤3：在三维构型软件中单独对弹体三维模型建立计算域1，计算域1包括弹体壁面和弹体嵌套网格边界，并导出为.stp格式的文件；在三维构型软件中单独对折叠弹翼三维模型建立计算域2，计算域2包括弹翼壁面和弹翼嵌套网格边界，并导出为.stp格式的文件；在三维构型软件中建立压力远场计算域3，并导出为.stp格式的文件，计算域3的尺寸包围整个计算域1和计算域2；

步骤4：将弹体的.stp文件导入前处理软件中划分网格，将弹体壁面、弹体嵌套网格边界、以及弹体壁面与弹体嵌套网格边界之间的区域定义为不同的part，并分别命名，导出为弹体.msh文件；将弹翼的.stp文件导入前处理软件中划分网格，将弹翼壁面、弹翼嵌套网格边界、以及弹翼壁面与弹翼嵌套网格边界之间的区域定义为不同的part，并分别命名，导出为弹翼.msh文件；将压力远场的.stp文件导入前处理软件中划分网格，将压力远场边界和压力远场内部的区域定义为不同的part，并分别命名，导出为压力远场.msh文件；

步骤5：将压力远场.msh文件作为背景网格导入CFD软件中，再将弹体.msh和弹翼.msh作为组件网格导入CFD软件中；在CFD软件中设置来流条件、湍流模型、边界条件，初始化后进行定常计算，获得稳定的初始流场，作为进行非定常计算的初始值；

步骤6：设置CFD软件为计算非定常状态；对于弹翼转动运动，采用CFD软件中名称为define_cg_motion的第一udf程序，并在所述第一udf程序中设置弹翼的旋转速度、旋转开始和结束的时间；在CFD软件中的动网格界面，设置弹翼的网格类型为刚体，并加载所述第一udf程序；对于弹体在空中飞行做6dof运动，采用CFD软件中名称为define_sdof_properties的第二udf程序，并在所述第二udf程序中设置导弹的质量和转动惯量，同时在所述第二udf程序中编写以下过程：在每个时间步内，使用Compute_Force_And_Moment函数获取弹翼受到的气动力和作用点，并将所述气动力转化到弹体质心上，作为外力加载到弹体上；在CFD软件中的动网格界面，设置弹体的网格类型为刚体，并加载所述第二udf程序；在弹翼的动网格设置界面中设置相对于弹体的运动，相对速度为所述第一udf程序中设置的旋转速度；

步骤7：设置非定常计算的时间步长和仿真时间，开始非定常计算，并输出每一个时间步的位移和姿态。

2.根据权利要求1所述一种机弹分离和弹翼展开过程的动网格仿真模拟方法，其特征在于：所述三维构型软件采用catia软件。

3.根据权利要求1所述一种机弹分离和弹翼展开过程的动网格仿真模拟方法，其特征在于：所述前处理软件采用icem软件。

4.根据权利要求1所述一种机弹分离和弹翼展开过程的动网格仿真模拟方法，其特征在于：所述CFD软件采用fluent软件。

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