气动部/载荷部
2020-06-17 19:21:50

飞航武器CFD仿真验证(simv cfd)

场景和需求

(1)导弹外形结构日趋复杂,高质量网格划分和生成繁琐;

(2)网格离散误差对仿真结果影响大,缺乏科学自动化的网格误差和收敛性分析工具;

(3)气动特性预测误差大,对导弹性能指标确定带来相应的误差;

(4)导弹气动力/热载荷分布仿真精度低,结构材料设计安全余量大;

(5)导弹气动数值仿真结果与试验数据存在偏差,难以分析判断和采信。

解决方案

(1) CFD仿真求解自动化实现

      流体力学验模工具通过对输入/输出和配置文件搭建接口,实现流体仿真和网格划分软件的集成和调用。针对拓扑结构相似外形,需要多批量生成近似网格,可对针对关键几何部件建立几何结构的参数化外形,并针对关键气动部位,建立网格数、网格间距、加密因子的参数映射和关联,自动划分网格,批量生成一系列网格。通过软件界面实现远程资源调用和算例上传,并自动进行求解,以及结果的收取与后处理。

流体力学验模工具CFD仿真求解自动化处理流程

(2)网格离散误差评估与收敛性分析

      基于Richardson外推方法,对网格量和网格间距不同的多套网格,开展网格离散误差评估与分析,进行网格无关性验证与网格收敛性分析。考虑导弹网格划分中,疏密度、局部(壁面、激波等大梯度变化位置)网格分布、长宽比、正交性等影响因素,批量生成和计算,对各种网格划分和设置的结果,开展数据统计分析,评估网格误差和散布。

网格误差评估模块工作流程

      通过一系网格的划分、计算和对比,积累网格设置规则和划分经验,逐步固化为相应的网格生成规范,用于指导后续外形的网格生成。

(3)构建高精度代理模型,支撑快速高效气动工程估算

       相比于传统设计过程中的经验、半经验工程估算公式和简化后的解析函数模型,高精度代理模型基于真实复杂外形的试验数据和仿真结果,通过精细的建模方法,能够精确地描述导弹在复杂外形和来流条件下的气动特性与变化规律,能够较真实地给出设计所需气动力/热参数。同时,可以基于代理模型进行气动参数与气动特性之间的影响规律分析,指导导弹优化设计。

基于代理模型的快速气动预测

(4)气动/流体仿真模型修正与优化,获得高精度的仿真模型,基于试验数据标定仿真结果,提升仿真结果的预测精度,支撑导弹气动外形设计

      针对导弹复杂外形气动数值仿真精度低的问题,基于V&V技术开展系统的验证与确认工作。针对气动数值模拟计算方法涉及网格、差分格式、离散方法、数值方法、湍流模型等众多因素,基于科学系统的V&V技术,对仿真模型开展参数敏感度分析和参数修正,提高模型仿真精度;开展不确定性量化,分析CFD数值模拟输入条件的不确定度对计算结果的影响,以及不确定性的量化和传播,提高仿真模型的可信度。

流体和热性能虚拟样机库建设(simv pyramid+easy2sim)

用户场景和需求

      导弹的气动外形设计、推进系统设计、导弹舱段的热设计过程中,通常会采用Fluent\CFX\CFD-Fastran\Ansys Icepack等建立流体与热仿真分析模型,进行气动力、气动热、辐射热等性能计算和设计优化,借助有限元分析技术有效的提升了气动外形设计、推进系统设计和导弹舱段的热设计和优化的效率。

      因此,评估导弹流体与热仿真分析模型的精度,对模型V&V的结果进行管控,建立流体与热仿真的性能虚拟样机库,对帮助设计师基于精确的仿真模型进行性能优化,具有重要的意义。利用SimV&Ver Pyramid验模规划及过程管控系统,集成SimV&Ver CFD流体和热仿真验模工具,进行导弹的流体与热性能虚拟样机库建设,应用过程如下图所示。

流体和热性能虚拟样机库建设(simv pyramid+easy2sim)

用户场景和需求

      导弹的气动外形设计、推进系统设计、导弹舱段的热设计过程中,通常会采用Fluent\CFX\CFD-Fastran\Ansys Icepack等建立流体与热仿真分析模型,进行气动力、气动热、辐射热等性能计算和设计优化,借助有限元分析技术有效的提升了气动外形设计、推进系统设计和导弹舱段的热设计和优化的效率。

      因此,评估导弹流体与热仿真分析模型的精度,对模型V&V的结果进行管控,建立流体与热仿真的性能虚拟样机库,对帮助设计师基于精确的仿真模型进行性能优化,具有重要的意义。利用SimV&Ver Pyramid验模规划及过程管控系统,集成SimV&Ver CFD流体和热仿真验模工具,进行导弹的流体与热性能虚拟样机库建设。

解决方案

1.1   Pyramid产品方案

针对导弹研发过程中对流体和热性能虚拟样机库建设的需求,开发SimV&Ver Pyramid验模规划及过程管控系统,来解决导弹研发过程中遇到的问题和挑战。主要包含以下功能模块:

  • 模型层级规划。构建导弹结构系统模型的验模层级结构图;
  • 验模项目创建。创建正式的验模项目,配备项目团队、仿真软件、验模工具资源;
  • 验模任务分解。分配验模任务,并可以进行任务的执行状态监控、任务统计等;
  • 线下执行验模。在SimV&Ver Pyramid管理系统外部,启动SimV&Ver CFD流体与热模型验模工具,进行层级模型的验模应用,评估并提升流体与热仿真模型的精度;
  • 虚拟样机库建设及应用。可以进行虚拟样机的查询和可视化。导弹设计人员可以检索和查看虚拟样机库中的导弹流体与热性能仿真模型(如导弹气动外流场仿真型、导弹设备舱热仿真模型、导弹发动机舱热仿真模型、导弹发动机仿真分析模型等),可供导弹新型号研发时进行参考和借鉴。

1.2   价值

  • 对仿真模型V&V进行规划,建立产品的性能大数据库
  • 对导弹流体与热仿真模型按照置信度水平进行全面管理,性能大数据库作为创新设计的基础。
  • 高精度仿真驱动设计
  • 基于高置信度的流体与热仿真模型,进行导弹性能优化和设计决策;
  • 仿真与试验的紧密集成
  • 模型V&V技术,建立起流体与热性能仿真与试验的桥梁;
  • 通过仿真模型进行试验预示,降低试验风险;利用试验数据来量化仿真模型的精度,并进行仿真模型参数修正来提升仿真置信度。
  • 仿真知识管理与重用
  • 建立不同层级的发动机仿真模型库(如前体/进气道、隔离段、燃烧室、尾喷管等),可以供新型号产品研发进行参考和复用。
  • 虚拟风洞试验

    虚拟风洞试验方案

              虚拟风洞试验系统,通过虚拟试验的方法研究产品在气流环境中的气动力和气动热特性,评定产品在预期的使用状态下的技术指标参数测定。通过高度自动化和流程化的仿真过程及高质量的CFD技术,能更精确、更快速地预测产品的空气动力学性能,包括气动升力、阻力、压力分布、流场(流动分离)、气动声等其它因素,从而设计出更安全、性能更好的产品。虚拟风洞试验包括:

    • 气动力试验
    激波风洞试验
  • 虚拟环境实验

    虚拟热环境试验方案

              虚拟热试验系统,通过虚拟试验的方法研究结构在热环境中的温湿度特性,评定产品在预期的使用环境中的可靠性。虚拟热试验包括:

    • 温度循环试验
    • 温度冲击试验
    • 高低温试验
    • 湿热试验

      热环境虚拟试验流程

      虚拟环境噪声试验方案

       

               虚拟环境噪声试验系统,用于校核设备在强噪声场中的工作性能和耐强噪声的能力,测定设备对强噪声的响应。在一个闭合空间内建立自由声场,在这个空间内,传播声波的介质均匀地向各个方向无限延伸,使声源辐射的声能“自由”地传播,即无障碍物的反射,也无环境噪声的干扰。

      • 脉动推力噪声
      • 喷流噪声
      • 气动噪声

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