CN116090097A - 基于等效撞水设计的近水面流固耦合有限元高效计算方法 - Google Patents

基于等效撞水设计的近水面流固耦合有限元高效计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于等效撞水设计的近水面流固耦合有限元高效计算方法，包括将飞行器触水运动按平行水面方向和垂直水面方向进行解耦，解耦为水域的水平流动和飞行器的垂直下落运动；计算水域边界速度；根据撞水前欧拉角调整水域姿态，使其与飞行器撞水时刻的姿态一致；针对水域姿态调整，计算飞行器初始速度；飞行器保持初始姿态不变；将飞行器与水域装配至流固耦合模型，调整飞行器触水尖点与水域的位置，将飞行器平移至水域的加密区附近，开展流固耦合计算。本发明利用运动等效原则建立对飞行器和水域运动的等效变换，极大地方便非零姿态下的流固耦合初始条件设置、提升流固耦合计算的效率，解决含初始姿态角的流固耦合分析难题。

Description

基于等效撞水设计的近水面流固耦合有限元高效计算方法
技术领域
本发明属于流体力学及流固耦合技术领域，具体涉及一种基于等效撞水设计的近水面流固耦合有限元高效计算方法。
背景技术
当飞行器在水面高速触水时，可能会产生流固耦合效应，由于飞行器撞水部件外形变形带来的水动力变化可能引起姿态发散、结构损伤、动响应放大等不良影响，往往需要对不同姿态角触水的情况进行分析，获得撞水瞬态冲击作用下的姿态变化和动态响应数据。然而，当采用复杂装配体模型尤其是含几何参考点的多部件模型分析近水面撞水冲击时，对飞行器的平移和旋转操作会带来诸多问题，往往会导致连接单元的失效进而成倍增加重建模型的工作量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有流固耦合分析手段的不足，提供一种基于等效撞水设计的近水面流固耦合有限元高效计算方法，利用运动等效原则建立对飞行器和水域运动的等效变换，极大地方便非零姿态下的流固耦合初始条件设置、提升流固耦合计算的效率，解决含初始姿态角的流固耦合分析难题。
本发明实现上述目的采用的技术方案如下：
一种基于等效撞水设计的近水面流固耦合有限元高效计算方法，包括如下步骤
将飞行器触水运动按平行水面方向和垂直水面方向进行解耦，解耦为水域的水平流动和飞行器的垂直下落运动；
计算水域边界速度；
根据撞水前欧拉角调整水域姿态，使其与飞行器撞水时刻的姿态一致；
针对水域姿态调整，计算飞行器初始速度；
飞行器保持初始姿态不变；
将飞行器与水域装配至流固耦合模型，调整飞行器触水尖点与水域的位置，将飞行器平移至水域的加密区附近，开展流固耦合计算。
进一步地，水域水平流动速度为
Vw＝Vcosθ
所述水域边界速度三方向分量为
Figure BDA0004028141370000021
其中，V为飞行器速度，θ为弹道倾角，β为偏航角，α为俯仰角，γ为滚转角。
进一步地，飞行器下落速度为
Vd＝Vsinθ
针对水域姿态调整，飞行器初始速度三方向分量为
Figure BDA0004028141370000022
其中，V为飞行器速度，θ为弹道倾角，α为俯仰角。
进一步地，所述水域姿态调整方法如下
基于撞水前偏航-俯仰-滚转顺序的欧拉角，以触水部件尖点坐标为原点，水域依次绕大地坐标系y,z,x轴正向旋转角度β、α、γ，其中β为偏航角，α为俯仰角，γ为滚转角。
本发明与现有技术相比的有益效果：
本发明可实现飞行器与水域运动关系的解耦，极大降低了流固耦合解算的规模。
本发明通过运动关系解耦和赋予水域边界速度条件，避免了对复杂飞行器装配体进行姿态变换，解决了传统分析方法极易带来的连接失效和重复性建模的问题，大幅提高了建模计算的效率。
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为本发明具体实施例提供的近水面撞水过程飞行器-水域解耦示意图；
图2为本发明具体实施例提供的水域姿态变换后初始时刻的装配体示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明提供了一种基于等效撞水设计的近水面流固耦合有限元高效计算方法，包括如下步骤
将飞行器触水运动按平行水面方向和垂直水面方向进行解耦，解耦为水域的水平流动和飞行器的垂直下落运动；
计算水域边界速度；
根据撞水前欧拉角调整水域姿态，使其与飞行器撞水时刻的姿态一致；
针对水域姿态调整，计算飞行器初始速度；
飞行器保持初始姿态不变；
将飞行器与水域装配至流固耦合模型，调整飞行器触水尖点与水域的位置，将飞行器平移至水域的加密区附近，开展流固耦合分析，获取飞行器姿态及结构与设备的触水冲击响应数据。
本发明通过运动关系解耦和赋予水域边界速度条件，避免了对复杂飞行器装配体进行姿态变换，解决了传统分析方法极易带来的连接失效和重复性建模的问题，大幅提高了建模计算的效率。
进一步地，水域水平流动速度为
Vw＝Vcosθ
所述水域边界速度三方向分量为
Figure BDA0004028141370000051
其中，V为飞行器速度，θ为弹道倾角，β为偏航角，α为俯仰角，γ为滚转角。
进一步地，飞行器下落速度为
Vd＝Vsinθ
针对水域姿态调整，飞行器初始速度三方向分量为
Figure BDA0004028141370000052
其中，V为飞行器速度，θ为弹道倾角，α为俯仰角。
进一步地，所述水域姿态调整方法如下：
基于撞水前偏航-俯仰-滚转顺序的欧拉角，以触水部件尖点坐标为原点，水域依次绕大地坐标系y,z,x轴正向旋转角度β、α、γ，其中β为偏航角，α为俯仰角，γ为滚转角。
作为本发明的一方面，提出的高速近水面撞水流固耦合计算方法，具体可以分为以下几个步骤：
步骤一，水域运动等效设计
1)水域边界速度等效设计
将飞行器触水运动按平行水面方向和垂直水面方向进行解耦，根据飞行器速度V和弹道倾角θ，撞水前姿态角(β,α,γ),(其中β为偏航角，α为俯仰角，γ为滚转角)。将触水前的运动解耦为水域的水平流动。解耦后流体水平流动速度Vw＝Vcosθ，按如下公式确定水域边界速度三方向分量[VwxVwyVwz]。
Figure BDA0004028141370000061
水域边界速度是指水域速度入口所在边界的速度，如本实施例中图2所示水域的左边界的速度。
2)水域姿态等效设计
以偏航-俯仰-滚转顺序的欧拉角为例，设撞水前姿态角为(β,α,γ),其中β为偏航角，α为俯仰角，γ为滚转角。从飞行器尾部向前看，定义飞行器头部左偏、低头、顺时针旋转为正，以触水部件尖点坐标为原点，依次绕大地坐标系y,z,x轴正向旋转角度β，α，γ，使得水域姿态与撞水时刻飞行器和水域的相对姿态一致。
使用该等效方法可使同一套水域网格适应不同姿态下的撞水流固耦合分析，大幅降低水域网格划分的复杂度和工作量。若采用常规设计方法，则需要给予飞行器不同的侧滑速度，对于每个新给定的偏航角或侧滑速度，需要相应地调整网格加密参数，前处理过程极其繁琐。
步骤二，飞行器运动等效设计
1)飞行器速度等效设计
将飞行器运动按平行水面方向和垂直水面方向进行解耦，根据飞行器速度V和弹道倾角θ，撞水前姿态角(β,α,γ),(其中β为偏航角，α为俯仰角，γ为滚转角)。将触水前的运动解耦为飞行器的垂直下落运动。解耦后的飞行器下落速度Vd＝V sinθ，按如下公式确定飞行器初始速度三方向分量[Vdx Vdy Vdz]。
Figure BDA0004028141370000071
飞行器初始速度是指在水域姿态发生等效变化后，飞行器相对水域的速度。
2)飞行器姿态等效设计
飞行器姿态不作变换，保持建模初始姿态即可。
使用本等效设计方法可使不同触水姿态下飞行器姿态保持不变，仅需要改变其初始速度，极大提高了计算前处理效率。若采用常规设计方法，则需要在每次更新飞行器姿态后，重新建立撞水部件与飞行器的装配关系，处理过程极其繁琐。
步骤三，建立装配体，开展流固耦合分析
将步骤一、二中完成等效设计的飞行器模型与水域模型装配至流固耦合模型，调整飞行器触水尖点与水域的位置关系，将飞行器平移至距离水域的加密区附近，采用CEL(耦合的欧拉拉格朗日方法)方法开展流固耦合分析，获取飞行器姿态及结构与设备的触水冲击响应数据，具体包含：飞行器三轴姿态角及角速度，结构动态应力云图，舱段结构和设备的振动加速度，惯导角速度数据等。
下面结合附图和实例对本发明的一种近水面撞水流固耦合计算方法进行介绍：
对于本发明提出的近水面撞水流固耦合计算方法，如图1～图2所示，具体可以分为以下几个步骤：
Step1：对近水面撞水飞行器进行飞行器-水域解耦，飞行器速度V为100m/s，弹道倾角为3度，解算得到水流速度Vw为99.86m/s，飞行器垂速Vd为-5.23m/s，如图1所示。
Step2：根据水流速度和撞水前欧拉角(0°，5°，0°)，解算得到水域边界速度为(99.48,8.7,0)m/s。同时根据欧拉角调整水域姿态。
Step4：根据飞行器下落速度Vd和撞水前欧拉角(0°，5°，0°)，解算得到飞行器初始速度为(0.456,-5.21,0)m/s。
Step6：建立飞行器与水域的流固耦合装配体，析根据前几步的计算结果设置边界条件，提交流固耦合计算，如图2所示。
如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
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。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (4)

1.一种基于等效撞水设计的近水面流固耦合有限元高效计算方法，其特征在于，包括如下步骤
将飞行器触水运动按平行水面方向和垂直水面方向进行解耦，解耦为水域的水平流动和飞行器的垂直下落运动；
计算水域边界速度；
根据撞水前欧拉角调整水域姿态，使其与飞行器撞水时刻的姿态一致；
针对水域姿态调整，计算飞行器初始速度；
飞行器保持初始姿态不变；
将飞行器与水域装配至流固耦合模型，调整飞行器触水尖点与水域的位置，将飞行器平移至水域的加密区附近，开展流固耦合计算。
2.根据权利要求1所述的近水面流固耦合有限元高效计算方法，其特征在于，水域水平流动速度为
Vw＝Vcosθ
所述水域边界速度三方向分量为
Figure FDA0004028141360000011
其中，V为飞行器速度，θ为弹道倾角，β为偏航角，α为俯仰角，γ为滚转角。
3.根据权利要求1所述的近水面流固耦合有限元高效计算方法，其特征在于，飞行器下落速度为
Vd＝Vsinθ
针对水域姿态调整，飞行器初始速度三方向分量为
Figure FDA0004028141360000021
其中，V为飞行器速度，θ为弹道倾角，α为俯仰角。
4.根据权利要求1所述的近水面流固耦合有限元高效计算方法，其特征在于，所述水域姿态调整方法如下
基于撞水前偏航-俯仰-滚转顺序的欧拉角，以触水部件尖点坐标为原点，水域依次绕大地坐标系y,z,x轴正向旋转角度β、α、γ，其中β为偏航角，α为俯仰角，γ为滚转角。
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