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        臨近空間飛行器多物理場耦合建模的網(wǎng)格映射方法

        2012-03-20 06:21:34胡東飛吳旭生
        航天控制 2012年3期
        關(guān)鍵詞:異構(gòu)飛行器耦合

        劉 璟 王 玲,2 胡東飛 鐵 鳴,2 吳旭生

        1.北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所,北京100076

        2.空間物理重點實驗室,北京100076

        臨近空間通常是指20~100km的空域[1]。臨近空間高超聲速飛行器具有快速、機動、靈活的特點,具有極大的發(fā)展?jié)摿Γ?],對于維護國家安全和利益具有極為重要的戰(zhàn)略意義。

        臨近空間飛行器的研制面臨許多復(fù)雜的問題和挑戰(zhàn),其功能復(fù)雜、機理復(fù)雜、工藝復(fù)雜,具有多自由度、多變量、非線性、強耦合、參數(shù)時變等綜合復(fù)雜性[3],而且涉及總體、氣動、結(jié)構(gòu)、控制、防熱、動力等多個學(xué)科和專業(yè)領(lǐng)域的相互作用、高度耦合的子系統(tǒng)。傳統(tǒng)的各學(xué)科獨立設(shè)計與仿真驗證的模式難以體現(xiàn)各學(xué)科之間的耦合關(guān)系。需要開展多學(xué)科、全系統(tǒng)、全流程、多物理場耦合過程的協(xié)同仿真研究,驗證各學(xué)科耦合關(guān)系下的更接近于真實情況的飛行性能。學(xué)科間存在著大量的耦合與交互關(guān)系,其中一些涉及學(xué)科間交互的復(fù)雜仿真問題需要多個學(xué)科領(lǐng)域的仿真模型、軟件相互協(xié)作共同完成[4]。

        本文研究并給出了臨近空間高超聲速飛行器的各學(xué)科之間的一種耦合建模方法。由于計算能力和研制習(xí)慣等方面的制約,氣動、結(jié)構(gòu)、防熱等專業(yè)的仿真建模和模型解算工具不同。流體力學(xué)領(lǐng)域側(cè)重于使用有限體積法,固體力學(xué)領(lǐng)域廣泛采用有限元方法,且會按需求選用不同的計算工具,包括ABAQUS,ANSYS,NASTRAN和FORTRAN等,這就帶來了不同的網(wǎng)格劃分方式。在多物理場耦合仿真計算過程中,學(xué)科間復(fù)雜的交互關(guān)系和異構(gòu)網(wǎng)格之間的信息傳遞就成為一個難點。為解決該問題,研究并實現(xiàn)了異構(gòu)網(wǎng)格耦合界面之間以及耦合域之間的信息傳遞方法,并應(yīng)用于臨近空間高超聲速飛行器的多物理場耦合仿真。

        1 臨近空間高超聲速飛行器多物理場耦合建模

        臨近空間高超聲速飛行器各學(xué)科之間的耦合關(guān)系復(fù)雜,其中包括流固耦合問題[5-6]、熱固耦合問題和熱流固耦合問題等。

        針對計算流體力學(xué)(CFD)/計算固體力學(xué)(CSD)耦合已經(jīng)發(fā)展了全耦合、緊耦合和松耦合[7]3種耦合方式。飛行器氣動與結(jié)構(gòu)之間的耦合關(guān)系主要是:在高超聲速條件下,氣動載荷引起的飛行器結(jié)構(gòu)表面位移不可忽略,而表面位移反過來會影響流場和氣動載荷。

        飛行器熱固領(lǐng)域之間和熱流領(lǐng)域之間的耦合關(guān)系主要是:在高超聲速條件下,氣動加熱引起的高溫使得飛行器結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生熱應(yīng)力,進而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)變,溫度的變化也使得材料強度和剛度相應(yīng)改變;飛行器的結(jié)構(gòu)應(yīng)變以及端頭和翼前緣等處的熱燒蝕改變了氣動外形,進而對飛行器所受的氣動力產(chǎn)生影響。熱流固的相互耦合關(guān)系還會影響飛行器的控制系統(tǒng)精度和可控性。

        由于臨近空間高超聲速飛行器的高度復(fù)雜性,目前難以進行全系統(tǒng)的多場緊耦合的仿真建模與驗證,因此,采用松耦合方法給出了一種多物理場耦合的協(xié)同仿真流程。氣動模型基于CFD網(wǎng)格計算飛行器外表面所受載荷,防熱模型和結(jié)構(gòu)強度模型分別采用ABAQUS和ANSYS作為網(wǎng)格生成工具和模型解算工具。如圖1,在一個仿真步長內(nèi),氣動、防熱和結(jié)構(gòu)強度仿真模型按其耦合關(guān)系依次解算,步驟序號說明了解算和數(shù)據(jù)交互的順序,雙箭頭標明了數(shù)據(jù)傳遞方向。

        圖1 耦合仿真流程圖

        2 異構(gòu)網(wǎng)格映射方法

        在物理場耦合的各學(xué)科模型之間的信息交互中,存在以下幾類問題:

        1)異構(gòu)網(wǎng)格耦合界面位移映射;

        2)異構(gòu)網(wǎng)格耦合界面載荷映射;

        3)異構(gòu)網(wǎng)格耦合域位移映射;

        4)異構(gòu)網(wǎng)格耦合域載荷映射。

        其中,耦合界面上映射方法作為流固耦合等問題的一個重要方面,是一個研究熱點。常用的方法有常體積轉(zhuǎn)換法[8]、加權(quán)余量法[9]、平板樣條法、反距離加權(quán)法、徑向基函數(shù)法等很多種。

        2.1 映射方法的原理和思想

        異構(gòu)網(wǎng)格之間信息傳遞方法應(yīng)當(dāng)滿足連續(xù)條件和守恒條件,即網(wǎng)格信息所體現(xiàn)的外形等物理信息是連續(xù)的,網(wǎng)格的劃分只是一種離散方法;映射完成后,兩套網(wǎng)格的整體或局部的能量都必須是守恒的。連續(xù)條件和守恒條件可以作為映射算法的推導(dǎo)依據(jù)或驗證依據(jù)。

        可將各種異構(gòu)網(wǎng)格之間信息傳遞方法的核心思想總結(jié)為以下幾類:

        1)擬合:由網(wǎng)格離散點的信息擬合出連續(xù)的形函數(shù)或場函數(shù)等,并在另一套網(wǎng)格中應(yīng)用該擬合函數(shù)求得各點的值;

        2)插值或加權(quán):利用周圍各點對目標點影響程度的不同,且相鄰網(wǎng)格點的信息是連續(xù)變化的特點,求得目標點的信息;

        3)守恒:從方法上保證整體和局部各處的信息在映射前后是嚴格守恒的,例如基于靜力等效、能量守恒等原理推導(dǎo)出的映射公式。

        2.2 本文研究和應(yīng)用的映射方法

        比較幾類映射方法,函數(shù)擬合的方法可以在一定程度上還原離散網(wǎng)格點的連續(xù)函數(shù),但對于復(fù)雜外形或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的情況,擬合函數(shù)的精度會嚴重下降;守恒類方法推導(dǎo)過程十分嚴謹,往往存在矩陣求逆過程,難以避免奇異矩陣,在實際工程應(yīng)用中處理起來比較復(fù)雜;插值或加權(quán)類方法最為常見,因此采用局部信息的插值或加權(quán)方法處理異構(gòu)網(wǎng)格耦合界面和耦合域的信息傳遞問題。

        信息從一套網(wǎng)格傳遞到另一套網(wǎng)格,為便于區(qū)分,下文把這兩套網(wǎng)格分別稱作“源網(wǎng)格”和“目標網(wǎng)格”。

        2.2.1 表面網(wǎng)格載荷和位移映射

        常見的表面網(wǎng)格單元的形狀只有三角形和四邊形2種,將四邊形也作為2個三角形處理。對于耦合界面上的目標網(wǎng)格的每個網(wǎng)格點Ps0都可以唯一確定1個對應(yīng)的源網(wǎng)格三角單元。將該點Ps0投影在三角單元所在平面上,得到如圖2所示的點Ps。

        [8]的面積坐標定義,如圖2,得到點Ps的面積坐標Ni為:

        圖2 面積坐標的定義

        式中,A為ΔP1P2P3的面積,A1為ΔPsP2P3的面積,A2為ΔPsP1P3的面積,A3為ΔPsP2P1的面積。

        處理氣動載荷(單位為帕斯卡)映射時,可以將CFD網(wǎng)格三角單元面積坐標視為三角單元各頂點載荷fi對ANSYS網(wǎng)格點Ps的權(quán)重,得到Ps點的載荷為:

        對于每個ANSYS網(wǎng)格點按上述面積權(quán)重法進行處理,即可完成異構(gòu)網(wǎng)格耦合界面上的載荷映射過程。

        處理位移映射時,以常體積轉(zhuǎn)換法為基礎(chǔ),對上述搜索到的三角單元逐個進行計算。按式(3)和式(4)即可得到耦合界面上網(wǎng)格點Ps0進行位移映射后的坐標

        式中,加撇的點表示該點位移后的坐標,如A'表示位移后的三角單元面積。

        2.2.2 體網(wǎng)格載荷映射

        常見的體網(wǎng)格單元形狀包括四面體、六面體、三棱柱等多種,需要采用一種與網(wǎng)格形狀無關(guān)的方法處理異構(gòu)網(wǎng)格耦合域上的載荷映射問題。

        在反距離加權(quán)法的基礎(chǔ)上,以從ABAQUS網(wǎng)格向ANSYS網(wǎng)格進行熱載荷映射為例,得出如下映射方法:

        1)將兩套網(wǎng)格重疊在一起,在耦合域上搜索每個ANSYS網(wǎng)格點的坐標位于哪個ABAQUS網(wǎng)格單元中。

        已知P1,P2,P3,Pn4個點的坐標,其中,點P1,P2,P3構(gòu)成一個平面。按行列式的計算法則,有

        判斷點是否在原網(wǎng)格單元內(nèi)的原理是:

        將某個ABAQUS網(wǎng)格單元中心點P0坐標和ANSYS網(wǎng)格點Ps分別代入式(5),計算結(jié)果同號,則可判斷點P0與點Ps在平面S123的同側(cè)。

        對于一個均質(zhì)凸n面體(n>3),可知其重心(中心)一定在n面體內(nèi)。因此只要按上述方法判斷點Ps與某體網(wǎng)格單元的中心相對于該單元所有的面同側(cè),即可知該點在該單元內(nèi)部。

        2)體網(wǎng)格單元各頂點對點Ps的權(quán)重Ni為:

        式中,li表示第i個頂點與Ps之間的距離。

        對于在由n個頂點構(gòu)成的網(wǎng)格單元內(nèi)的點Ps,其熱載荷映射公式為:

        需要指出的是反距離加權(quán)法使用了除法,且除數(shù)有可能為0或接近0,因此在編程實現(xiàn)時需要對兩點重合或近似重合的情況進行判斷。

        2.2.3 體網(wǎng)格位移映射

        飛行器結(jié)構(gòu)受力發(fā)生變形時,在變形區(qū)域,每個微小的網(wǎng)格單元都會隨之發(fā)生位移、壓縮或拉伸。由于網(wǎng)格足夠微小,發(fā)生扭曲變形的量所造成的誤差可以忽略。在此假設(shè)基礎(chǔ)上,本文提出一種解決體網(wǎng)格位移映射的“中值位移法”,即由每個ABAQUS網(wǎng)格節(jié)點所在的由n個節(jié)點構(gòu)成的ANSYS體網(wǎng)格單元各頂點的平均位移求得該ABAQUS網(wǎng)格節(jié)點的位移,如式(9):

        式中,Ai表示ANSYS體網(wǎng)格單元各節(jié)點,Q表示ABAQUS網(wǎng)格節(jié)點,加撇表示位移后的節(jié)點。

        式(9)為中值位移法的數(shù)學(xué)表述,該方法的前處理過程,即確定節(jié)點與單元的位置關(guān)系的方法與式(5)所述相同。該方法的優(yōu)點是步驟簡單、易于實現(xiàn),計算效率高。

        2.3 異構(gòu)網(wǎng)格信息傳遞算法庫

        將異構(gòu)網(wǎng)格之間信息傳遞的各種方法整合到一起,形成異構(gòu)網(wǎng)格信息傳遞算法庫,如圖3所示。算法庫由搜索算法庫、映射算法庫、前處理模塊和后處理模塊組成。前處理模塊按用戶選擇的網(wǎng)格類型動態(tài)生成信息傳遞所需的所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。后處理模塊將映射結(jié)果按相應(yīng)的網(wǎng)格文件格式輸出,并釋放內(nèi)存。搜索算法庫內(nèi)包含:節(jié)點與表面網(wǎng)格單元位置關(guān)系搜索算法、節(jié)點與體網(wǎng)格單元位置關(guān)系搜索算法。映射算法庫可以處理各種異構(gòu)網(wǎng)格之間的信息傳遞問題,有包括上文所介紹的常體積轉(zhuǎn)換法、面積權(quán)重法、中值位移法、反距離加權(quán)法在內(nèi)的多種映射算法,并且可以不斷豐富。

        2.4 算法庫精度分析

        為了驗證算法庫的算法精度,選擇了半徑為0.1m的半球體和長0.2m、半徑0.05m的圓柱體模型,各建立2套網(wǎng)格,如圖4和圖5所示。

        給半球模型建立溫度場分布函數(shù),如式(10)所示:

        其耦合界面與耦合域上的載荷映射平均誤差見表1。

        給圓柱模型表面加載位移分布函數(shù),如式(11)所示:

        δx沿徑向加載,表面以下各層網(wǎng)格等比例壓縮。其耦合界面與耦合域上的載荷映射平均誤差見表1。

        可見以上算例的精度符合工程計算要求,可應(yīng)用于多物理場耦合建模與仿真試驗。

        3 結(jié)論

        研究了臨近空間高飛行器多物理場耦合建模方法,為解決領(lǐng)域間因不同設(shè)計習(xí)慣、使用不同的工具軟件等造成復(fù)雜數(shù)據(jù)交互問題,研究并實現(xiàn)了適用于復(fù)雜外形和結(jié)構(gòu)的各種異構(gòu)網(wǎng)格耦合界面及耦合域之間信息傳遞的方法,封裝成算法庫,并可應(yīng)用于臨近空間飛行器多物理場耦合仿真。

        圖3 異構(gòu)網(wǎng)格信息傳遞算法庫

        表1 算法庫驗證結(jié)果

        參考文獻

        [1] Stephens H.Near-space[J].Air Force Magazine,2005,88(7):31.

        [2] 李怡勇,李智,沈懷榮.臨近空間飛行器發(fā)展與應(yīng)用分析[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2008,19(2):61-65.(LI Yi-yong,LI Zhi,SHEN Huai-rong.Analysis on Development and Application of Near Space Vehicle[J].Journal of the Academy of Equipment Command&Technology,2008,19(2):61-65.)

        [3] 鐵鳴,王玲,孫學(xué)功.臨近空間飛行器一體化仿真分析平臺體系研究[C].臨近空間飛行器技術(shù)論壇,2009.(TIE Ming,WANG Ling,SUN Xue-gong.Study on Simulation Analysis Platform System for Near Space Vehicle[C].Nearspace Vehicle’s Technology Forums,2009.)

        [4] 鐵鳴,胡東飛,王玲,吳旭生.基于HLA的臨近空間飛行器虛擬飛行試驗方法[J].信息與電腦,2010,7:51-52.(TIE Ming,HU Dong-fei,WANG Ling,WU Xu-Sheng.Virtual Flight Testing Method of Near Space Vehicle Based on HLA[J].China Computer&Communication,2010,7:51-52.)

        [5] 錢若軍,董石麟,袁行飛.流固耦合理論研究進展[J].空間結(jié)構(gòu),2008,14(1):3-15.(QIAN Ruo-jun,DONG Shi-lin,YUAN Xing-fei.Advances in Research on Fluidstructure Interaction Theory[J].Spatial Structures,2008,14(1):3-15.)

        [6] 安效民,徐敏,陳士櫓.多場耦合求解非線性氣動彈性的研究綜述[J].力學(xué)進展,2009,39(3):284-298.(AN Xiao-min,XU Min,CHEN Shi-lu.An Overview of CFD/ CSD Coupled Solution for Nonlinear Aeroelasticity[J].Advances in Mechanics,2009,39(3):284-298.)

        [7] Hurka J,Ballmann J.Elastic Panels in Transonic Flow[J].AIAA Paper 2001-2722,2001.

        [8] Goura G S,Badcock K J,et al.A Data Exchange Method for Fluid-structure Interaction Problems[J].The Aeronautical Journal,2001,105:215-221.

        [9] De Boer C,Van Zuijlen,Van A H,Bijl H.Review of Coupling Methods for Non-matching Meshes[J].Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering,2007,196:1515-1525.

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