一种固体火箭发动机通用燃面计算方法技术

本申请涉及一种固体火箭发动机通用燃面计算方法。所述方法包括:读取初始装药构型的燃烧面和包覆面，建立网格节点到初始燃面和包覆面的最小符号距离函数场，并进行修正，得到满足燃面计算需求的场和场，针对不同计算方式的叠加实现装药剩余体积的计算，根据体积微分进行燃面计算，实现装药构型的通用定义和不依赖于燃面推移过程拓扑结构变化的燃面快速计算；通过初始燃面和包覆面三角面元的有序化组织，提高符号距离函数求解效率，兼具实体造型法对装药构型定义方式的通用性和快速最小距离函数法求解燃面推移过程的高效性和通用性，满足任意构型燃面推移过程快速计算需求，为固体发动机设计和研制提供高效、通用的燃面推移过程快速仿真手段。燃面推移过程快速仿真手段。燃面推移过程快速仿真手段。

【技术实现步骤摘要】
一种固体火箭发动机通用燃面计算方法


[0001]本申请涉及固体火箭发动机
，特别是涉及一种固体火箭发动机通用燃面计算方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]目前常用的燃面计算方法有：实体造型法、最小距离函数法和界面追踪法，这三种方法虽然能够解决在燃面计算过程中的一些问题，但是也有各自的缺点，例如，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；常规最小距离函数法存在计算量大的确定，采用快速搜索解决该问题以后，必须依赖程序定义装药的构型，能够定义的装药有限，通用性较差；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

[0004]基于此，有必要针对现有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，提供一种固体火箭发动机通用燃面计算方法。该方法基于CAD实体造型法实现药型初始定义，基于最小距离函数法完成燃面推移，建立了基于k
‑
d树和递归搜索的最小符号距离函数快速求解方法，相比于CAD实体造型法，该方法能提高燃面计算通用性，不依赖于推移过程燃面的拓扑结构，相比于最小距离函数法初始装药定义更加通用，可满足任意装药燃面计算需求，兼具CAD实体造型和最小距离函数的优势。
[0005]一种固体火箭发动机通用燃面计算方法，所述方法包括：提取装药实体造型的初始燃面和包覆面，并导出初始燃面和包覆面的文件。
[0006]读取初始燃面和包覆面的文件中的顶点和三角面元，并建立初始燃面和包覆面的顶点库和三角面元库。
[0007]根据初始燃面和包覆面的顶点库，确定初始燃面和包覆面的计算域；并根据计算域的长宽比进行网格划分，得到初始燃面和包覆面的计算域网格，所述计算域网格包括多个网格节点。
[0008]根据初始燃面和包覆面的顶点库、三角面元库以及计算域的网格节点，采用基于k
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d树和递归搜索的最小符号距离函数快速求解方法，得到初始燃面和包覆面的符号距离
函数场。
[0009]对所述符号距离函数场进行修正，得到场及场：根据所述场、所述场以及不同燃去肉厚，采用离散网格积分法，得到不同燃去肉厚对应的燃去的装药体积和剩余装药体积；并基于燃去的装药体积和剩余装药体积对燃去肉厚的微分得到燃烧面积。
[0010]其中一个实施例中，提取装药实体造型的初始燃面和包覆面，并导出初始燃面和包覆面的文件，包括：给定发动机初始装药CAD模型，在CAD软件中指定装药的初始燃面和包覆面。
[0011]将所述初始燃面和所述包覆面分别导出为初始燃面和包覆面的文件，初始燃面和包覆面的文件为STL文件。
[0012]其中一个实施例中，根据初始燃面和包覆面的顶点库，确定初始燃面和包覆面的计算域；并根据计算域的长宽比进行网格划分，得到初始燃面和包覆面的计算域网格，包括：将初始燃面的顶点库中所有顶点的最大包络作为初始燃面计算域，将包覆面的顶点库中所有顶点的最大包络作为包覆面计算域。
[0013]根据初始燃面计算域和包覆面计算域的长宽比，确定初始燃面计算域和包覆面计算域的网格数。
[0014]根据初始燃面计算域和包覆面计算域的网格数进行划分，得到初始燃面和包覆面的计算域网格。
[0015]其中一个实施例中，根据初始燃面和包覆面的顶点库、三角面元库以及计算域的网格节点，采用基于k
‑
d树和递归搜索的最小符号距离函数快速求解方法，得到初始燃面和包覆面的符号距离函数场，步骤中基于k
‑
d树和递归搜索的最小符号距离函数快速求解方法包括：根据所述初始燃面的顶点库，建立初始燃面顶点库所有顶点的k
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d树。
[0016]对初始燃面计算域的当前网格节点，采用k
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d树最邻近搜索法，得到最佳顶点，并得到最佳顶点的相邻三角面元集；所述最佳顶点是k
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d树中到当前网格节点的距离最小的顶点，所述当前网格节点为初始燃面计算域中x、y、z方向的节点编号分别为i、j、k的网格节点。
[0017]根据最佳顶点对应的相邻三角面元集，计算当前网格节点到相邻三角面元集中各三角面元的最小距离，并根据距离最小原则，得到第一面元和第一距离，所述第一面元是相邻三角面元集中到当前网格节点的最小距离最小的面元，所述第一距离是第一面元到当前网格节点的最小距离；根据第一面元的三个顶点，分别获得与这三个顶点相邻的三角面元集，并计算当前网格节点到三个三角面元集中未被计算过的各三角面元的最小距离，将到当前网格节点距离最小的面元作为第二面元，对应的最小距离为第二距离。
[0018]当第二距离小于或等于第一距离时，将第一距离的值更新为第二距离，将第一面元更新为第二面元，重新计算第二面元和第二距离，并进行比较，直到当第二距离不小于第一距离。
[0019]将当前网格节点到初始燃面的符号距离函数的绝对值设置为第一距离，记初始燃面上到当前网格节点距离最小的点为。
[0020]根据第一面元的三个顶点和初始燃面的三角面元库，分别获得与第一面元的三个顶点相邻的三角面元集，若向量在第一面元的三个顶点相邻的三角面元集中的面元以及第一面元法向上的投影均小于0，则符号距离函的符号为负，否则符号距离函的符号为正；采用上述相同方法，遍历初始燃面计算域的其他网格节点，计算得到初始燃面的符号距离函数场。
[0021]重复上述步骤，将初始燃面的顶点库、三角面元库替换为包覆面的顶点库和三角面元库，计算得到距离包覆面的符号距离函数场。
[0022]其中一个实施例中，对所述符号距离函数场进行修正，得到场及场，步骤中场及场的表达式为：场的表达式为：其中，为初始燃面的符号距离函数场，为包覆面的符号函数距离场。
[0023]其中一个实施例中，根据所述场、所述场以及不同燃去肉厚，采用离散网格积分法，得到不同燃去肉厚对应的燃去的装药体积和剩余装药体积；并基于燃去的装药体积和剩余装药体积对燃去肉厚的微分得到燃烧面积，包括：根据所述场、所述场以及不同燃去肉厚确定积分域，的部分为离散后的药柱区域；对于不同燃去肉厚，且的区域为剩余装药的区域；当且的区域为燃去药柱的区域。
[0024]根据燃烧方向、预设计算步长以及积本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固体火箭发动机通用燃面计算方法，其特征在于，所述方法包括：提取装药实体造型的初始燃面和包覆面，并导出初始燃面和包覆面的文件；读取初始燃面和包覆面的文件中的顶点和三角面元，并建立初始燃面和包覆面的顶点库和三角面元库；根据初始燃面和包覆面的顶点库，确定初始燃面和包覆面的计算域；并根据计算域的长宽比进行网格划分，得到初始燃面和包覆面的计算域网格，所述计算域网格包括多个网格节点；根据初始燃面和包覆面的顶点库、三角面元库以及计算域的网格节点，采用基于k
‑
d树和递归搜索的最小符号距离函数快速求解方法，得到初始燃面和包覆面的符号距离函数场；对所述符号距离函数场进行修正，得到场及场：根据所述场、所述场以及不同燃去肉厚，采用离散网格积分法，得到不同燃去肉厚对应的燃去的装药体积和剩余装药体积；并基于燃去的装药体积和剩余装药体积对燃去肉厚的微分得到燃烧面积。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提取装药实体造型的初始燃面和包覆面，并导出初始燃面和包覆面的文件，包括：给定发动机初始装药CAD模型，在CAD软件中指定装药的初始燃面和包覆面；将所述初始燃面和所述包覆面分别导出为初始燃面和包覆面的文件，初始燃面和包覆面的文件为STL文件。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据初始燃面和包覆面的顶点库，确定初始燃面和包覆面的计算域；并根据计算域的长宽比进行网格划分，得到初始燃面和包覆面的计算域网格，包括：将初始燃面的顶点库中所有顶点的最大包络作为初始燃面计算域，将包覆面的顶点库中所有顶点的最大包络作为包覆面计算域；根据初始燃面计算域和包覆面计算域的长宽比，确定初始燃面计算域和包覆面计算域的网格数；根据初始燃面计算域和包覆面计算域的网格数进行划分，得到初始燃面和包覆面的计算域网格。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据初始燃面和包覆面的顶点库、三角面元库以及计算域的网格节点，采用基于k
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d树和递归搜索的最小符号距离函数快速求解方法，得到初始燃面和包覆面的符号距离函数场，步骤中基于k
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d树和递归搜索的最小符号距离函数快速求解方法包括：根据所述初始燃面的顶点库，建立初始燃面顶点库所有顶点的k
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d树；对初始燃面计算域的当前网格节点，采用k
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d树最邻近搜索法，得到最佳顶点，并得到最佳顶点的相邻三角面元集；所述最佳顶点是k
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d树中到当前网格节点的距离最小的...

【专利技术属性】
技术研发人员：武泽平，李国盛，王东辉，张为华，
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：