一种大幅六自由度运动的流固耦合模拟方法技术

本发明专利技术的目的在于提供一种大幅六自由度运动的流固耦合模拟方法，包括以下步骤：(1)划分结构物六自由度网格；(2)设定参数；(3)读入网格、设置边界条件和初场；(4)重构球面supermesh；(5)求解流场；(6)求解各物理量；(6)由流场求解结构物再地球坐标系下的位移；(7)更新球形区域网格节点坐标；(8)由弹簧法更新非球形区域网格节点坐标；返回步骤(4)，开始下一个时间步的计算，直至计算完成。本发明专利技术可以适用于结构物大幅度六自由度流固耦合模拟，并保持网格运动时的网格质量；并且，本发明专利技术构造的球面supermesh重构方法计算流程简单，容易实现，且计算速度快，可靠性高；突破了传统滑移网格只能处理单一自由度网格运动的局限性。

【技术实现步骤摘要】
一种大幅六自由度运动的流固耦合模拟方法
本专利技术涉及的是一种计算机辅助工程(CAE)、计算流体力学(CFD)、流固耦合方法。
技术介绍
随着计算机技术和数值方法的飞速发展，计算流体力学方法(CFD)开始活跃于空气动力学和船舶与海洋工程的各个领域当中，已有越来越多研究工作基于CFD方法开展研究。然而CFD的发展一直受困于多个瓶颈，其中一个关键问题就是动网格技术。在结构物流固耦合运动问题当中，需要处理其六个自由度的运动。结构物在流体中具有六个自由度的运动，并且在流体的作用下，其运动规律极其复杂。因此，要准确地模拟计算结构物的运动，并考虑流固耦合作用，就必须要让网格“动”起来。传统的动网格技术主要有两大类:一种方案是滑移网格方法。滑移网格技术是常用的动网格方法，这种动网格方法能够处理沿直线平移或者绕着固定轴旋转等网格运动，但是只适用于简单的单个自由度运动，并且运动轨迹固定。在船舶与海洋工程中，滑移网格方法在实际应用中仅限于船舶固定、螺旋桨在船后旋转的情况，无法适应于船体的旋转运动，且一旦船舶拥有较大幅度的运动，并且同时考虑螺旋桨的旋转时，传统的滑移网格就难以适用了。另一种方案是网格变形法。传统的网格变形有弹簧法、局部网格重构法等，也仅能处理结构物小幅度运动的情况，当发生大幅度的旋转时，网格会出现严重变形、扭曲，导致网格质量下降，甚至计算发散。因此，传统动网格技术上的局限性使CFD在应用过程中，始终很难做到真正意义上的结构物大幅度六自由度流固耦合模拟计算。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供克服传统动网格技术不足的一种大幅六自由度运动的流固耦合模拟方法。本专利技术的目的是这样实现的：本专利技术一种大幅六自由度运动的流固耦合模拟方法，其特征是：(1)划分结构物六自由度网格，以结构物的旋转中心为球心，将计算域划分为包含结构物的球形计算域ΩS和球外计算域ΩR，并分别生成计算网格τS和τR；定义τS和τR的球面交界面网格为ΠS和ΠR；(2)设定参数：分别给定结构物的旋转中心和重心在地球坐标系下的初始坐标和结构物的质量m、基于结构物重心的主转动惯量(Ixcg,Iycg,Izcg)；(3)读入网格、设置边界条件和初场；(4)重构球面supermesh；(5)求解流场；(6)求解各物理量；(7)由当前流场和网格节点位置，求解结构物在地球坐标系下的位移(x1,x2,x3,φ,θ,ψ)，其中x1,x2,x3和φ,θ,ψ分别为结构物在地球坐标系下的位移和旋转；(8)由(x1,x2,x3,φ,θ,ψ)更新结构物重心、旋转中心、网格τS所有节点的坐标；(9)采用弹簧法，即将τR看作一张具有弹性的网，网格节点之间的联系看作是一根独立的弹簧，在球面交界面网格ΠR运动时，由刚度系数重新分布τR网格节点；返回步骤(4)，开始下一个时间步的计算，直至计算完成。本专利技术还可以包括：1、重构球面supermesh包括以下步骤：(4a)分别生成ΠR和ΠS的单元列表和n和m分别为ΠR和ΠS的单元和的总数；(4b)遍历的单元对遍历的单元由AABB-BOX算法在地球坐标系下判断和是否空间重叠；(4c)若重叠，采用球心投影，将地球坐标系下和的投射至承影平面得到和(4d)若不重叠，则返回步骤(4b)；(4e)由逐边裁剪法对和进行相交计算，得到相交部分(4f)由逆球心投影将转换为三维笛卡尔坐标系下的Kint；(4g)在地球坐标系下根据Kint和的面积比值判断Kint是否为有效相交；(4h)若有效相交，则计算Kint的几何信息，并储拓扑关系；将加入supermesh列表(4i)若无效相交，则返回步骤(4b)。2、步骤(4b)在地球坐标系下由AABB-BOX算法判断和是否重叠包括以下步骤：(4ba)分别对和建立直平行六面体和所述ω指对于由N个节点xi＝(xi,yi,zi),i＝1,2,...,N组成的空间平面K，分别取点A＝(max{xi},max{yi},max{zi})和点B＝(min{xi},min{yi},min{zi})，i＝1,2,...,N，建立以线段AB为对角线的直平行六面体，且其面均垂直于坐标轴；(4bb)若和有重叠部分，则和为空间重叠；反之，则无空间重叠。3、步骤(4c)球心投影包括以下步骤：(4ca)旋转球面，使球面任意位置的和投影至承影平面内；球面旋转为绕过球心的旋转轴的一次旋转，或绕过以球心为原点的笛卡尔坐标系的坐标轴的组合旋转；(4cb)由球心投影将和投影至乘影平面，得到极坐标系下的多边形和(4cc)将极坐标系变换为笛卡尔坐标系，得到笛卡尔坐标系下的和4、步骤(7)中求解结构物在地球坐标系下的位移包括以下步骤：(7a)规定结构物绕固定于结构物的结构物坐标系的坐标轴的转动顺序，并计算该顺序下的转换矩阵J1和J2；(7b)计算结构物在地球坐标系下所受的力Fe和力矩Me(7c)将Fe和Me转换至结构物坐标系下，得到Fs和Ms：(7d)求解六自由度刚体运动方程:得到结构物在结构物坐标系下的速度v＝(v1,v2)＝(u,v,w,p,q,r)；式中为绕j结构物旋转中心的主转动惯量，xg,yg,zg为结构物重心到旋转中心的向量在结构物坐标系下的三个分量；(7e)将v＝(v1,v2)转换为地球坐标系下的速度(7f)将加速度积分得到η＝(η1,η2)＝(x1,x2,x3,φ,θ,ψ)。5、步骤(8)由(x1,x2,x3,φ,θ,ψ)更新结构物重心坐标、旋转中心坐标，网格τS所有节点坐标包括以下步骤：(8a)根据(φ,θ,ψ)，计算由步骤(3a)规定的转动顺序所对应的向量旋转矩阵J；(8b)根据(x1,x2,x3)和旋转矩阵J，计算结构物重心、旋转中心、网格τS所有节点的坐标。6、步骤(9)采用弹簧法，重新分布网格τR所有节点包括以下步骤：(9a)计算网格τR任意节点i与j之间的刚度系数αij；(9b)计算球面网格ΠR所有节点的位移并给定网格τR所有边界节点位移(9c)对于网格τR的任意节点i，其与相连的所有节点j之间的相对位移满足胡克定律：(9d)由胡克定律计算网格τR所有节点的位移，(9e)更新所有节点的坐标。本专利技术的优势在于：本专利技术可以适用于结构物大幅度六自由度流固耦合模拟，并保持网格运动时的网格质量；并且，本专利技术构造的球面supermesh重构方法计算流程简单，容易实现，且计算速度快，可靠性高；突破了传统滑移网格只能处理单一自由度网格运动的局限性。附图说明图1为本专利技术流程图；图2为潜艇六自由度网格划分示意图；图3飞行器六自由网格划分示意图；图4为重构球面supermesh的计算流程图；图5为AABB-BOX算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大幅六自由度运动的流固耦合模拟方法，其特征是：/n(1)划分结构物六自由度网格，以结构物的旋转中心为球心，将计算域划分为包含结构物的球形计算域Ω

【技术特征摘要】
1.一种大幅六自由度运动的流固耦合模拟方法，其特征是：
(1)划分结构物六自由度网格，以结构物的旋转中心为球心，将计算域划分为包含结构物的球形计算域ΩS和球外计算域ΩR，并分别生成计算网格τS和τR；定义τS和τR的球面交界面网格为ΠS和ΠR；
(2)设定参数：分别给定结构物的旋转中心和重心在地球坐标系下的初始坐标和结构物的质量m、基于结构物重心的主转动惯量(Ixcg,Iycg,Izcg)；
(3)读入网格、设置边界条件和初场；
(4)重构球面supermesh；
(5)求解流场；
(6)求解各物理量；
(7)由当前流场和网格节点位置，求解结构物在地球坐标系下的位移(x1,x2,x3,φ,θ,ψ)，其中x1,x2,x3和φ,θ,ψ分别为结构物在地球坐标系下的位移和旋转；
(8)由(x1,x2,x3,φ,θ,ψ)更新结构物重心、旋转中心、网格τS所有节点的坐标；
(9)采用弹簧法，即将τR看作一张具有弹性的网，网格节点之间的联系看作是一根独立的弹簧，在球面交界面网格ΠR运动时，由刚度系数重新分布τR网格节点；返回步骤(4)，开始下一个时间步的计算，直至计算完成。


2.根据权利要求1所述的一种大幅六自由度运动的流固耦合模拟方法，其特征是：重构球面supermesh包括以下步骤：
(4a)分别生成ΠR和ΠS的单元列表和n和m分别为ΠR和ΠS的单元和的总数；
(4b)遍历的单元对遍历的单元由AABB-BOX算法在地球坐标系下判断和是否空间重叠；
(4c)若重叠，采用球心投影，将地球坐标系下和的投射至承影平面得到和
(4d)若不重叠，则返回步骤(4b)；
(4e)由逐边裁剪法对和进行相交计算，得到相交部分
(4f)由逆球心投影将转换为三维笛卡尔坐标系下的Kint；
(4g)在地球坐标系下根据Kint和的面积比值判断Kint是否为有效相交；
(4h)若有效相交，则计算Kint的几何信息，并储拓扑关系；将加入supermesh列表
(4i)若无效相交，则返回步骤(4b)。


3.根据权利要求2所述的一种大幅六自由度运动的流固耦合模拟方法，其特征是：步骤(4b)在地球坐标系下由AABB-BOX算法判断和是否重叠包括以下步骤：
(4ba)分别对和建立直平行六面体和所述ω指对于由N个节点xi＝(xi,yi,zi),i＝1,2,...,N组成的空间平面K，分别取点A＝(max{xi},max{yi},max{zi})和点B＝(min{xi},min{yi},min{zi})，i＝1,2,...,N...

【专利技术属性】
技术研发人员：明平剑，肖艺，张文平，张新玉，柳贡民，曹贻鹏，国杰，赵晓臣，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23