一种固体火箭发动机装药燃面确定方法技术

本发明专利技术公开一种固体火箭发动机装药燃面确定方法，包括：获取发动机装药的初始装药参数，建立发动机装药的三维模型；对发动机装药的三维模型进行网格划分，得到发动机装药的三维模型的网格计算域，并定义网格计算域中的药柱节点、空腔节点；提取出由若干零点组成的初始燃面；识别出初始燃面中与网格计算域中各个网格节点距离最近的零点，并得到各个网格节点与对应的零点之间的距离值；对于任意燃去肉厚，积分得到发动机装药的燃去体积，并燃去体积对燃去肉厚的微分获得燃烧面积。通过初始燃面上的零点对初始燃面进行表征，避免了对装药拓扑结构的依赖；通过通用体积积分，避免对单元与燃面相交方式的判断；整个过程迭代次数较其他方法大大减小。

A method to determine the burning surface of solid rocket motor charge

【技术实现步骤摘要】
一种固体火箭发动机装药燃面确定方法
本专利技术涉及固体火箭发动机
，具体是一种固体火箭发动机装药燃面确定方法。
技术介绍
固体火箭发动机是导弹、火箭等航天运载器的重要动力系统之一。固体火箭发动机由于装药事先固定，在工作过程中，固体火箭发动机内弹道难以调节，所以对于固体火箭发动机来说，能够准确地预估发动机的内弹道有着重要意义。燃面计算用于确定装药在燃烧过程中燃烧表面积随燃烧时间的变化规律，直接影响发动机内弹道性能预示精度，是发动机内弹道设计的基础，在固体火箭发动机的设计中一直占有重要地位。目前常用的燃面计算方法有：1.实体造型法：通过AutoCAD软件进行初始时刻燃面建模，随燃面推移，手动画出新的燃面形状，经此循环，便可得到每一时刻装药的形状。此类方法在工业生产中用的最多，因为其可视性较强，能直观表达图形的变化状况；2.最小距离函数法：计算装药内部各点到初始燃面的距离，即最小距离函数，按照装药平行层推移规律，选取所有最小距离函数值等于已燃厚度的点，即可组成已燃厚度时的燃面，在此基础上进行燃面面积计算；3.界面追踪法：将发动机燃面视为流场中的自由边界，通过追踪固体推进剂燃烧界面的变化，计算出燃面的变化规律。目前使用较多的是LevelSet法。设推进剂内部区域为K(t)，外部区域为N(t)，2部分间的界面即燃面设为Γ(t)。另设空间任意一点到燃面的符号距离函数为h(x,t)，若h(x,t)在K(t)中为到燃面的距离，在N(t)中则为到燃面距离的相反数，在Γ(t)上为0。根据此定义，可知函数h(x,t)值为0的点就是燃面所处的位置，所以对于燃面推移过程的追踪就转变为求解每一时刻函数h(x,t)＝0的解。目前常用的燃面计算方法其缺点在于：1.实体造型法对于发动机装药的型面设置，需要定义几何尺寸和位置，对于不同装药药型都需要手工设置，不具有通用性。且对于复杂结构的药型，推移造型过程十分繁琐，并可能出现奇异点，使得燃面推移无法继续下去，只能通过构造近似的几何形状进行燃面计算；2.最小距离函数法需要大量的运算，迭代次数繁多，计算速度过慢。3.界面追踪法对于不同药型的初始燃面，需要手工给出或者需要将初始型面用非结构网格离散输入，装药初始型面设置过程非常复杂。且由于在燃面推移计算过程中需要求解微分方程组，计算量非常大。
技术实现思路
针对现有技术中燃面计算方法人工操作步骤繁琐或程序所需运算量大，计算时间长等问题，本专利技术提供一种固体火箭发动机装药燃面确定方法，极大的减少了计算量与人工操作，能够有效的进行固体火箭发动机工作时燃面推移计算。为实现上述目的，本专利技术提供一种固体火箭发动机装药燃面确定方法，包括如下步骤：步骤1，获取发动机装药的初始装药参数，基于初始装药参数建立发动机装药的三维模型；步骤2，对发动机装药的三维模型进行网格划分，得到发动机装药的三维模型的网格计算域，并定义网格计算域中的药柱节点、空腔节点；步骤3，基于网格计算域中的药柱节点与空腔节点提取出由若干零点组成的初始燃面；步骤4，识别出初始燃面中与网格计算域中各个网格节点距离最近的零点，并得到各个网格节点与对应的零点之间的距离值；步骤5，基于发动机装药的燃去肉厚以及各个网格节点与对应的零点之间的距离值进行积分得到发动机装药的燃去体积，并基于燃去体积对燃去肉厚的微分得到燃烧面积。作为上述技术方案的进一步改进，步骤1中，所述初始装药参数包括药柱参数与空腔参数。作为上述技术方案的进一步改进，步骤2中，所述网格计算域为比发动机装药的三维模型的装药边界大一个网格尺寸的大小。作为上述技术方案的进一步改进，步骤2中，所述定义网格计算域中的药柱节点、空腔节点，具体为：给定标识函数c；若网格节点位于发动机装药的药柱内，则定义该网格节点的标识函数c＝1；若网格节点位于发动机装药的空腔内，则定义该网格节点的标识函数c＝-1。作为上述技术方案的进一步改进，步骤3中，所述基于网格计算域中的药柱节点与空腔节点提取出由若干零点组成的初始燃面，具体为：步骤3.1，筛选出网格计算域中八个网格节点的标识函数不完全一致的网格，作为燃烧面网格；步骤3.2，将每一个燃烧面网格进一步划分为p×p×p的p3个小网格；步骤3.3，基于二分法，得到燃面与小网格的边线、面对角线和体对角线的交点，即为零点；步骤3.4，将所有小网格上的所有零点组成点集，即提取得到初始燃面。作为上述技术方案的进一步改进，步骤4中，所述识别出初始燃面中与网格计算域中各个网格节点距离最近的零点，具体为：步骤4.1，基于网格计算域中所有的零点构造k-d树；步骤4.2，对于任一网格节点U，在k-d树内进行二叉搜索，找到网格节点U的最邻近零点的近似点；步骤4.3，基于网格节点U的最邻近零点的近似点进行回溯操作，即以网格节点U为原点，网格节点U与网格节点U的最邻近零点的近似点之间的距离为半径作球，判断该球内是否有其他零点，若无其他零点，则该网格节点U的最邻近零点的近似点即为距离网格节点U最近的零点；步骤4.4，若有新的零点，则将该新的零点作为网格节点U的最邻近零点的近似点，随后重复步骤4.3-步骤4.4直至找到与网格节点U最邻近的零点Y。作为上述技术方案的进一步改进，步骤4.1中，所述基于网格计算域中所有的零点构造k-d树，具体为：步骤4.1.1，将网格计算域划分为柱状坐标网格；步骤4.1.2，对柱状坐标网格内所有零点进行划分操作，即将空间内的所有零点坐标位置在三个维度上的方差分别进行计算，选出方差最大的维度作为分区维度，并在该分区维度上找出坐标值为中位数的零点作为根节点来划分分区面，由分区面将所有的零点集分为了两部分，在分区维度上坐标值小于等于根节点的点集部分为根节点的左子空间，另一部分为右子空间；步骤4.1.3，对左子空间与右子空间内所有零点分别再次进行划分操作，得到新的左子空间与右子空间；步骤4.1.4，重复步骤4.1.3直至所有的左子空间与右子空间中均最多只包含一个零点。作为上述技术方案的进一步改进，步骤5中，基于发动机装药的燃去肉厚以及各个网格节点与对应的零点之间的距离值进行积分得到发动机装药的燃去体积，具体为：步骤5.1，基于燃去肉厚、各个网格节点与对应的零点之间的距离值以及各网格节点与装药中轴线的距离识别得到网格计算域中位于燃去装药内的网格与位于新燃面上的网格；步骤5.2，对于位于新燃面上的网格，基于各个网格节点与对应的零点之间的距离值在网格上插值得到每一个网格上的新燃面位置，并根据网格上新燃面的位置得到该网格的网格燃去体积；步骤5.3，将所有位于燃去装药内的网格的体积与所有位于新燃面上网格的网格燃去体积进行积分即得到网格计算域的燃去体积，即发动机装药的燃去体积。作为上述技术方案的进一步改进，步骤5中，基于燃去体积对燃去肉厚的微分得到燃烧面积，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固体火箭发动机装药燃面确定方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1，获取发动机装药的初始装药参数，基于初始装药参数建立发动机装药的三维模型；/n步骤2，对发动机装药的三维模型进行网格划分，得到发动机装药的三维模型的网格计算域，并定义网格计算域中的药柱节点、空腔节点；/n步骤3，基于网格计算域中的药柱节点与空腔节点提取出由若干零点组成的初始燃面；/n步骤4，识别出初始燃面中与网格计算域中各个网格节点距离最近的零点，并得到各个网格节点与对应的零点之间的距离值；/n步骤5，基于发动机装药的燃去肉厚以及各个网格节点与对应的零点之间的距离值进行积分得到发动机装药的燃去体积，并基于燃去体积对燃去肉厚的微分得到燃烧面积。/n

【技术特征摘要】
1.一种固体火箭发动机装药燃面确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，获取发动机装药的初始装药参数，基于初始装药参数建立发动机装药的三维模型；
步骤2，对发动机装药的三维模型进行网格划分，得到发动机装药的三维模型的网格计算域，并定义网格计算域中的药柱节点、空腔节点；
步骤3，基于网格计算域中的药柱节点与空腔节点提取出由若干零点组成的初始燃面；
步骤4，识别出初始燃面中与网格计算域中各个网格节点距离最近的零点，并得到各个网格节点与对应的零点之间的距离值；
步骤5，基于发动机装药的燃去肉厚以及各个网格节点与对应的零点之间的距离值进行积分得到发动机装药的燃去体积，并基于燃去体积对燃去肉厚的微分得到燃烧面积。


2.根据权利要求1所述固体火箭发动机装药燃面确定方法，其特征在于，步骤1中，所述初始装药参数包括药柱参数与空腔参数。


3.根据权利要求1所述固体火箭发动机装药燃面确定方法，其特征在于，步骤2中，所述网格计算域为比发动机装药的三维模型的装药边界大一个网格尺寸的大小。


4.根据权利要求1所述固体火箭发动机装药燃面确定方法，其特征在于，步骤2中，所述定义网格计算域中的药柱节点、空腔节点，具体为：
给定标识函数c；
若网格节点位于发动机装药的药柱内，则定义该网格节点的标识函数c＝1；
若网格节点位于发动机装药的空腔内，则定义该网格节点的标识函数c＝-1。


5.根据权利要求3所述固体火箭发动机装药燃面确定方法，其特征在于，步骤3中，所述基于网格计算域中的药柱节点与空腔节点提取出由若干零点组成的初始燃面，具体为：
步骤3.1，筛选出网格计算域中八个网格节点的标识函数不完全一致的网格，作为燃烧面网格；
步骤3.2，将每一个燃烧面网格进一步划分为p×p×p的p3个小网格；
步骤3.3，基于二分法，得到燃面与小网格的边线、面对角线和体对角线的交点，即为零点；
步骤3.4，将所有小网格上的所有零点组成点集，即提取得到初始燃面。


6.根据权利要求3所述固体火箭发动机装药燃面确定方法，其特征在于，步骤4中，所述识别出初始燃面中与网格计算域中各个网格节点距离最近的零点，具体为：
步骤4.1，基于网格计算域中所有的零点构造k-d树；
步骤4.2，对于任一网格节点U，在k-d树内进行二叉搜索，找到网格节点U的最邻近零点的近似点；
步骤4.3，基于网格节点U的最...

【专利技术属性】
技术研发人员：武泽平，彭博，张为华，王东辉，王文杰，向敏，彭科，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43