一种基于数据拟合的流场受力分析方法技术

本发明专利技术涉及一种基于数据拟合的流场受力分析方法，包括如下步骤：步骤1：建立CFD仿真环境。步骤2：CFD数据采集；步骤3：流场受力模型的函数形式推测；步骤4：模型参数估计；步骤5：模型参数的有效性验证。本发明专利技术解决了形状复杂物体产生的变化流场受力分析困难的问题，得到的受力模型是解析解的形式，可以用于特性分析以及控制器设计等。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数据拟合的流场受力分析方法
本专利技术涉及一种基于数据拟合的流场受力分析方法，该专利技术属于流场计算领域。
技术介绍
随着航空飞行器和水下航行器在军事和民用领域有着广泛的应用，研究物体在流场中的受力情况是一项实用的并且具有重要研究价值的课题。水和空气是两种最常见的流体，无论是在空气中还是在水中，航行器以一定速度运动时会对周围流体的运动产生作用，从而生成一个变化的流场。该流场对于靠近物体的运动有着显著的干扰，从而造成一些任务的失败。例如在软管空中加油过程中，受油机机头产生的流场会对软管末端的锥套产生排斥作用，锥套受到干扰后会以较快速度被推离原有的平衡位置，最终导致对接困难。目前航空领域常采用风洞试验的方法研究飞行器在空气流场中的受力情况，但是这种试验方法成本极高，不适合广泛应用。随着计算流体力学的发展，一些仿真软件能够快速便携的计算出物体在流场中的受力情况，然后该方法无法得到受力的解析形式，具有一定局限性。本专利技术提出了一种基于数据拟合的流场受力分析方法，得到的受力模型具有解析形式，更适合做理论分析和非线性控制器设计。
技术实现思路
本专利技术给出了一种基于数据拟合的流场受力分析方法。该方法以CFD(ComputationalFluidDynamics，计算流体力学)仿真数据作为基础，以非线性拟合作为参数估计方法。进而针对一个特定的情况，利用CFD软件生成了大量数据，并利用这些数据进行流场受力模型形式的推测、参数的估计以及模型的验证。本专利技术提出了一种基于数据拟合的流场受力分析方法，建立流场受力模型的具体步骤如下：步骤1：CFD仿真环境建立首先需要建立研究对象的三维模型。研究对象包括两部分，如图1所示，其中一部分是影响流体运动从而产生变化流场的物体A，另一部分是处于变化流场中需要进行受力分析的物体B。我们假设物体A的尺寸远大于物体B，因此只考虑物体A对流场的影响。该假设是具有一定现实意义的，比如软管式空中加油过程中，受油机的尺寸质量远远大于锥套，因此锥套对流场的影响可以忽略。进一步地，在三维模型上建立用于CFD计算的CFD坐标系of-xfyfzf，坐标系的位置和方向可以根据具体问题设置，一般而言，要使得研究对象于坐标系中具有良好的对称性。此外，对三维模型周围的大气区域进行网格划分，用于后期的CFD仿真计算求解。为了达到合适的网格密度以获得较高精度的数据，研究对象表面的网格需要密集划分，边缘部分网格可以适当稀疏。步骤2：CFD数据采集在步骤1建立的CFD仿真环境中，每次改变物体B的位置，然后进行数值计算得到此时物体B的受力结果。具体步骤如下：(1)物体B的每一个位置点在CFD坐标系中对应一个位置坐标用CFD软件(例如ANSYS公司的软件包CFX和FLUEN等)进行一次解算，获得相应的作用在物体B上的力FB,i＝[FBx,iFBy,iFBz,i]T，记录为第i组训练数据(2)在划分的运动区域内，改变物体B的位置，重复(1)中的流程采集n组训练数据。一个典型的例子如图2所示，虚线框为物体B的主要运动区域，在该区域内改变物体B的位置，计算不同位置的受力大小，采集多组训练数据，图2中给出了6个位置。步骤3：流场受力模型的函数形式推测根据步骤2得到的n组训练数据分别推测三个轴向(ofxf方向，ofyf方向和ofzf方向)的流场受力模型的函数形式。物体B的受力和其位置相关，满足其中，FB＝[FBxFByFBz]T表示物体B在流场中受到的力，表示物体B在CFD坐标系中的位置，C表示模型参数，f(·)表示函数关系。具体地，将式(1)在三个轴向展开，可以表示为其中，FBx为ofxf方向的受力，FBy为ofyf方向的受力，FBz为ofzf方向的受力，Cx,Cy和Cz分别为这三个方向上的模型参数。首先推测FBx的函数形式。根据步骤2可以得到的训练数据，整理可得FBx的三个剖面，分别为剖面、剖面和剖面。对这三个剖面的数据分别进行拟合，得到三个函数关系，分别记为和假设各个方向之间的耦合关系为其中，Cx表示函数中的增益。然后推测FBy的函数形式。根据步骤2可以得到的训练数据，整理可得FBy的三个剖面，分别为剖面、剖面和剖面。对这三个剖面的数据分别进行拟合，得到三个函数关系，分别记为和假设各个方向之间的耦合关系为其中，Cy表示函数中的增益。最后推测FBz的函数形式。根据步骤2可以得到的训练数据，同样地，整理可得FBz的三个剖面，分别为剖面、剖面和剖面。对这三个剖面的数据分别进行拟合，得到三个函数关系，分别记为和假设各个方向之间的耦合关系为其中，Cz表达了函数中的增益。由此可以得到FBz的函数形式。步骤4：模型参数估计式(2)中包含模型参数Cx,Cy和Cz，可以用训练数据来估计这些参数。以均方误差作为代价函数，那么相应的优化问题可以表达为其中，和分别表示Cx,Cy和Cz的估计值，Nx,Ny和Nz分别表示估计Cx,Cy和Cz时采用的训练数据的个数。对于该优化的初值选择，可以利用剖面中的曲线进行单个函数的拟合，并将得到的参数作为初值。在设定初值后可以利用软件提供的非线性拟合函数nlinfit，该拟合函数输入为训练数据即和推测的函数，以及推测函数中参数的初始值；输出为参数的最优值(即和)，各点处的拟合残差，以及雅克比矩阵的数值。将估计得到的代入到式(2)中就可以得到这种状况下物体B的流场受力模型。步骤5：模型参数的有效性验证为了验证参数的有效性，我们选择决定系数作为判断拟合效果的标准，记为和的决定系数分别为其中SSE(SumofSquaresforError)表示残差平方和，SST(SumofSquaresforTotal)表示总平方和，下标x,y,z分别对应和具体地，残差平方和总平方和计算方法如下其中，Nvx,Nvy,Nvz表示用来验证的训练点的个数，Nx,Ny,Nz分别表示估计模型参数时用到的训练点的个数，表示第i组训练数据。通常来讲就可以认为拟合结果良好。本专利技术优点及有益效果在于：本专利技术给出一种基于数据拟合的流场受力分析方法，解决了形状复杂物体产生的变化流场受力分析困难的问题，得到的受力模型是解析解的形式，可以用于特性分析以及控制器设计等。附图说明图1：是研究对象模型示意图。图2：是研究对象不同相对位置数据采集示意图。图3(a)、(b)、(c)：是在FLUENT中的三维模型三视图。图4(a)、(b)、(c)：是FBz的三个剖面示意图。图5(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)：是头波效应模型仿真数据与NASA实验数据的对比图。图6：本专利技术流程框图。图中符号说明图1：A为影响流体运动从而产生变化流场的物体，B为需要进行受力分析的物体，of-xfyfzf表示CFD坐标系。图2：为物体B进行数据采集的不同位置，其他符号同图1。图3：(a)为主视图，(b)为俯视图，(c)为侧视图。pB为锥套的位置，pp为受油机锥管的位置，pn为受油机机头最前端的位置，以上位置均定义在CFD坐标系of-xfyfzf中，其中of为CFD坐标系原点位置。图4：(a)为在分别取0、0.35、0.6和1时，FBz和的曲线关系；(b)为在分别取2.25、2.75、3.25和4时，FBz和的曲线关系；(c)为在分别取2.25、2.75、3.25和3.75时，FBz本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数据拟合的流场受力分析方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1：CFD仿真环境建立首先需要建立研究对象的三维模型；研究对象包括两部分，一部分是影响流体运动从而产生变化流场的物体A，另一部分是处于变化流场中需要进行受力分析的物体B；假设物体A的尺寸远大于物体B，因此只考虑物体A对流场的影响；在三维模型上建立用于CFD计算的CFD坐标系of‑xfyfzf，坐标系的位置和方向根据具体问题设置，要使得研究对象于坐标系中具有良好的对称性；此外，对三维模型周围的大气区域进行网格划分，用于后期的CFD仿真计算求解；研究对象表面的网格需要密集划分，边缘部分网格可以稀疏；步骤2：CFD数据采集在步骤1建立的CFD仿真环境中，每次改变物体B的位置，然后进行数值计算得到此时物体B的受力结果；具体步骤如下：(1)物体B的每一个位置点在CFD坐标系中对应一个位置坐标

【技术特征摘要】
1.一种基于数据拟合的流场受力分析方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1：CFD仿真环境建立首先需要建立研究对象的三维模型；研究对象包括两部分，一部分是影响流体运动从而产生变化流场的物体A，另一部分是处于变化流场中需要进行受力分析的物体B；假设物体A的尺寸远大于物体B，因此只考虑物体A对流场的影响；在三维模型上建立用于CFD计算的CFD坐标系of-xfyfzf，坐标系的位置和方向根据具体问题设置，要使得研究对象于坐标系中具有良好的对称性；此外，对三维模型周围的大气区域进行网格划分，用于后期的CFD仿真计算求解；研究对象表面的网格需要密集划分，边缘部分网格可以稀疏；步骤2：CFD数据采集在步骤1建立的CFD仿真环境中，每次改变物体B的位置，然后进行数值计算得到此时物体B的受力结果；具体步骤如下：(1)物体B的每一个位置点在CFD坐标系中对应一个位置坐标用CFD软件进行一次解算，获得相应的作用在物体B上的力FB,i＝[FBx,iFBy,iFBz,i]T，记录为第i组训练数据(2)在划分的运动区域内，改变物体B的位置，重复步骤(1)中的流程采集n组训练数据；步骤3：流场受力模型的函数形式推测根据步骤2得到的n组训练数据i＝1,2,…,n，分别推测三个轴向，即ofxf方向，ofyf方向和ofzf方向的流场受力模型的函数形式；物体B的受力和其位置相关，满足其中，FB＝[FBxFByFBz]T表示物体B在流场中受到的力，表示物体B在CFD坐标系中的位置，C表示模型参数，f(·)表示函数关系；将式(1)在三个轴向展开，表示为其中，FBx为ofxf方向的受力，FBy为ofyf方向的受力，FBz为ofzf方向的受力，Cx,Cy和Cz分别为这三个方向上的模型参数；步骤4：模型参数估计式(2)中包含模型参数Cx,Cy和Cz，用训练数据来估计这些参数；以均方误差作为代价函数，那么相应的优化问题表达为其中，和分别表示Cx,Cy和Cz的估计值，Nx,Ny和Nz分别表示估计Cx,Cy和Cz时采用的训练数据的个数；步...

【专利技术属性】
技术研发人员：全权，戴训华，马海彪，蔡开元，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11