專利名稱：高超聲速導(dǎo)彈多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)一體化仿真分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及導(dǎo)彈總體技術(shù)，具體屬于一種高超聲速導(dǎo)彈考慮氣動(dòng)加熱影響的氣動(dòng)彈性和氣動(dòng)伺服彈性穩(wěn)定性分析方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜外形導(dǎo)彈進(jìn)行氣動(dòng)加熱、三維溫度場(chǎng)、熱模態(tài)、非定常氣動(dòng)力、熱顫振和氣動(dòng)伺服彈性穩(wěn)定性一體化仿真分析。
背景技術(shù)：
導(dǎo)彈在高速和高機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，會(huì)帶來嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱與氣動(dòng)彈性耦合作用，以及伺服控制系統(tǒng)與彈體彈性變形耦合作用，嚴(yán)重影響導(dǎo)彈的氣動(dòng)伺服彈性穩(wěn)定性，導(dǎo)致突發(fā)性和災(zāi)難性的彈體斷裂事故，是高速導(dǎo)彈一體化設(shè)計(jì)中存在的、必須加予解決的問題。氣動(dòng)彈性和氣動(dòng)伺服彈性穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)分析主要采用數(shù)值仿真方法。傳統(tǒng)的分析方法中，一般只進(jìn)行部件或組合體單純的氣動(dòng)彈性或氣動(dòng)伺服彈性氣動(dòng)-結(jié)構(gòu)的耦合作用分析，考慮氣動(dòng)加熱的熱氣動(dòng)彈性分析也只是分別進(jìn)行氣動(dòng)加熱、熱模態(tài)和熱顫振分析。雖然有些方法和軟件可以完成若干因素耦合分析，如氣動(dòng)加熱和結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力、熱強(qiáng)度耦合分析，溫度場(chǎng)和熱模態(tài)、熱顫振耦合分析等，但未能解決綜合考慮高超聲速和復(fù)雜外形條件下氣動(dòng)加熱、結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力、熱模態(tài)、氣動(dòng)彈性和以及考慮伺服控制系統(tǒng)耦合的多場(chǎng)多因素耦合一體化仿真分析問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供高超聲速導(dǎo)彈多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)一體化仿真分析方法，綜合解決氣動(dòng)彈性和氣動(dòng)伺服彈性穩(wěn)定性問題。達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。高超聲速導(dǎo)彈多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)一體化仿真分析方法，包括如下步驟I)建立耦合的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程利用模態(tài)疊加法或分枝模態(tài)法建立全彈組合體的質(zhì)量陣和剛度陣解耦或準(zhǔn)解耦的運(yùn)動(dòng)微分方程，使用狀態(tài)空間法將控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化成時(shí)域空間的狀態(tài)空間方程，在時(shí)域上積分并按閉合回路的流程進(jìn)行仿真分析。2)改進(jìn)氣動(dòng)加熱計(jì)算方法從解決翼-身-尾組合體復(fù)雜外形氣動(dòng)加熱計(jì)算的需求出發(fā)，開發(fā)了 CFD數(shù)值仿真與工程計(jì)算相結(jié)合的方法，對(duì)外部的無粘流場(chǎng)數(shù)值求解Euler方程確定邊界層外緣參數(shù)，然后在粘性起主導(dǎo)作用的邊界層內(nèi)部采用參考焓法計(jì)算表面熱流，既克服了工程算法難以求解復(fù)雜外形邊界層外緣參數(shù)的困難，又避免了數(shù)值求解Navier-Stokes方程需要巨大計(jì)算量和計(jì)算資源的問題。3)改進(jìn)非定常氣動(dòng)力計(jì)算方法采用CFD數(shù)值仿真與當(dāng)?shù)亓骰钊碚撓嘟Y(jié)合的技術(shù)解決非定常力計(jì)算難題。針對(duì)任意三維物體，假設(shè)氣流沿物面切面的任一方向，在切面上建立垂直于物面振動(dòng)引起的下洗表達(dá)式，利用實(shí)際結(jié)構(gòu)振動(dòng)方向與物面外法線方向之間的幾何關(guān)系，建立當(dāng)?shù)亓骰钊碚撚?jì)算任意外形非定常氣動(dòng)力的表達(dá)式，而復(fù)雜外形的當(dāng)?shù)亓魍ㄟ^求解Euler方程的CFD方法獲得，大攻角、組合體流場(chǎng)干擾、下洗等都在當(dāng)?shù)亓髦星蠼猥@得。4)建立一體化仿真分析技術(shù)流程為了集成高超聲速氣動(dòng)彈性數(shù)學(xué)模型和各單項(xiàng)技術(shù)，形成多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)一體化仿真分析系統(tǒng)的技術(shù)分析流程，從集成多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)仿真分析的角度給出了各單項(xiàng)功能模塊和整體一體化分析平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)思路和相互關(guān)系，包括顫振計(jì)算(結(jié)構(gòu)氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性分析)、熱顫振、氣動(dòng)伺服彈性分析和熱氣動(dòng)伺服彈性分析四部分內(nèi)容。5)設(shè)計(jì)一體化仿真分析作業(yè)模型和數(shù)據(jù)關(guān)系為了具體實(shí)現(xiàn)步驟4)所示的四個(gè)功能，設(shè)計(jì)了一體化仿真分析系統(tǒng)的作業(yè)模型和數(shù)據(jù)關(guān)系，包含模態(tài)計(jì)算作業(yè)模塊，非定常氣動(dòng)力計(jì)算作業(yè)模塊，當(dāng)?shù)亓鲌?chǎng)計(jì)算作業(yè)模塊，氣動(dòng)加熱計(jì)算作業(yè)模塊，溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力和熱模態(tài)計(jì)算作業(yè)模塊，防熱層燒蝕計(jì)算作業(yè)模塊，控制力計(jì)算作業(yè)模塊以及耦合動(dòng)力學(xué)仿真和臨界參數(shù)辨識(shí)作業(yè)模塊，并說明各作業(yè)的主要功能和數(shù)據(jù)關(guān)系。6)實(shí)現(xiàn)一體化仿真分析系統(tǒng)根據(jù)步驟4)設(shè)計(jì)的技術(shù)流程和步驟5)設(shè)計(jì)的作業(yè)模塊，建立仿真分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖和數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖；集成整個(gè)一體化方法所需的商用軟件技術(shù)和自編程序，完成單獨(dú)部件或全彈組合體在不同馬赫數(shù)和不同攻角條件下的顫振、熱顫振分析、氣動(dòng)伺服彈性動(dòng)力學(xué)仿真和熱氣動(dòng)伺服彈性動(dòng)力學(xué)仿真。本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)和有益效果是改進(jìn)氣動(dòng)加熱和非定常氣動(dòng)力計(jì)算方法，集成顫振分析、熱顫振分析、氣動(dòng)伺服彈性分析和熱氣動(dòng)伺服彈性分析各項(xiàng)技術(shù)，提供了一體化求解并優(yōu)化設(shè)計(jì)高速有翼導(dǎo)彈全彈組合體的耦合動(dòng)力學(xué)問題的有效集成方法。與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相比計(jì)算結(jié)果正確可靠。與純CFD數(shù)值方法相比，在滿足精度要求的情況下，計(jì)算效率提高100倍以上。


圖1是本發(fā)明的多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)一體化仿真分析步驟流程圖；圖2是本發(fā)明的全彈多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)一體化仿真分析技術(shù)流程圖；圖3是本發(fā)明的全彈多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)一體化仿真分析系統(tǒng)作業(yè)模塊和數(shù)據(jù)關(guān)系圖；圖4是本發(fā)明的全彈多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)一體化仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖；圖5是本發(fā)明的全彈多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)一體化仿真數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖；圖6(a)是本發(fā)明的全彈組合體在a = 0°條件下顫振臨界動(dòng)壓結(jié)果比較圖；圖6(b)是本發(fā)明的全彈組合體在Ma = 4條件下顫振臨界動(dòng)壓結(jié)果比較圖；圖7(a)是本發(fā)明的全彈組合體顫振的彈身位移響應(yīng)圖；圖7(b)是本發(fā)明的全彈組合體顫振的為彈翼位移響應(yīng)圖；圖7(c)是本發(fā)明的全彈組合體顫振的尾翼位移響應(yīng)圖；圖8(a)是本發(fā)明的全彈組合體鋁材結(jié)構(gòu)熱顫振結(jié)果圖；圖8(b)是本發(fā)明的全彈組合體鈦合金結(jié)構(gòu)的熱顫振結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1所示，本發(fā)明的多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)一體化仿真分析步驟如下:I)建立耦合的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程受限考慮由彈身、彈翼和尾翼組成的高速有翼導(dǎo)彈物理模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析或仿真時(shí)，通常利用模態(tài)疊加法或分枝模態(tài)法可得對(duì)質(zhì)量陣和剛度陣解耦或準(zhǔn)解耦的運(yùn)動(dòng)微分方程
權(quán)利要求
1.高超聲速導(dǎo)彈多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)一體化仿真分析方法，其特征在于包括如下步驟: 1)建立耦合的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程； 2)改進(jìn)氣動(dòng)加熱計(jì)算方法； 3)改進(jìn)非定常氣動(dòng)力計(jì)算方法； 4)建立一體化仿真分析技術(shù)流程； 5)設(shè)計(jì)一體化仿真分析作業(yè)模型和數(shù)據(jù)關(guān)系； 6)實(shí)現(xiàn)一體化仿真分析系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高超聲速導(dǎo)彈多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)一體化仿真分析方法，其特征在于:所述的步驟1-4)中，建立一體化仿真分析技術(shù)流程，包括顫振分析技術(shù)流程、熱顫振分析技術(shù)流程、氣動(dòng)伺服彈性分析技術(shù)流程和熱氣動(dòng)伺服彈性分析技術(shù)流程。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高超聲速導(dǎo)彈多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)一體化仿真分析方法，其特征在于:所述的步驟1-5)中，建立一體化仿真分析作業(yè)模型和數(shù)據(jù)關(guān)系，包括模態(tài)計(jì)算作業(yè)模塊，非定常氣動(dòng)力計(jì)算作業(yè)模塊，當(dāng)?shù)亓鲌?chǎng)計(jì)算作業(yè)模塊，氣動(dòng)加熱計(jì)算作業(yè)模塊，溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力和熱模態(tài)計(jì)算作業(yè)模塊，防熱層燒蝕計(jì)算作業(yè)模塊，控制力計(jì)算作業(yè)模塊以及耦合動(dòng)力學(xué)仿真和臨界參數(shù) 辨識(shí)作業(yè)模塊。
全文摘要
本發(fā)明提供高超聲速導(dǎo)彈多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)一體化仿真分析方法，包括如下步驟建立耦合的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程；改進(jìn)氣動(dòng)加熱計(jì)算方法；改進(jìn)非定常氣動(dòng)力計(jì)算方法；建立一體化仿真分析技術(shù)流程；設(shè)計(jì)一體化仿真分析作業(yè)模型和數(shù)據(jù)關(guān)系；實(shí)現(xiàn)一體化仿真分析系統(tǒng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，其改進(jìn)了氣動(dòng)加熱和非定常氣動(dòng)力計(jì)算方法，集成顫振分析、熱顫振分析、氣動(dòng)伺服彈性分析和熱氣動(dòng)伺服彈性分析各項(xiàng)技術(shù)，提供了一體化求解并優(yōu)化設(shè)計(jì)高速有翼導(dǎo)彈全彈組合體的耦合動(dòng)力學(xué)問題的有效集成方法。
文檔編號(hào)G06F17/50GK103077259SQ20111033189
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2011年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月26日
發(fā)明者劉超峰, 楊炳淵, 史曉鳴, 許斌, 李海東, 唐曉峰 申請(qǐng)人:上海機(jī)電工程研究所