高超声速再入气动环境与结构变形失效毁坏一体化模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种高超声速再入气动环境与结构变形失效毁坏一体化模拟方法，包括：步骤一，建立含非平衡效应Boltzmann模型方程统一算法GKUA；步骤二，建立结构动态热力耦合响应变形行为有限元计算方法FEM；步骤三，将GKUA和FEM进行结合，建立高超声速再入气动环境与结构变形失效毁坏一体化的模拟方法；步骤四，使用CUDA架构的GPU设备对模拟方法进行并行加速。本发明专利技术提供一种高超声速再入气动环境与结构变形失效毁坏一体化模拟方法，其相较于现有技术而言，因引入CUDA构架的GPU设备对上述算法进行并行加速，从而提升高超声速再入气动环境与结构变形失效毁坏一体化模拟方法的计算效率。效率。效率。

Integrated simulation method of hypersonic reentry aerodynamic environment and structural deformation, failure and destruction

【技术实现步骤摘要】
高超声速再入气动环境与结构变形失效毁坏一体化模拟方法


[0001]本专利技术涉及卫星及应用产品领域。更具体地说，本专利技术涉及一种用在航天器测控地面站监测卫星等航天器状态情况下使用的高超声速再入气动环境与结构变形失效毁坏一体化模拟方法。

技术介绍

[0002]近地轨道高度300km～1000km运行的板舱桁架结构大型航天器(空间实验室、货运飞船、空间站等)，服役期满或失效，如已处于失联无控飞行欧洲最大的ENVISAT对地观测卫星，面临危及其他航天、航空器发生可能碰撞与再入坠毁航迹预示、人财物安全评估、危害性分析处置问题。正常情况下，这类航天器在进行返回制动后，控制系统就不再介入返回过程，在过渡段、再入段都不进行控制，与之前的航天器返回如载人飞船返回舱，有很大区别，称无控陨落航天器，从离轨到再入过程是一个轨道高度和能量逐渐降低、连续变化过程。这个过程可以划分为两个阶段：轨道衰降阶段和再入损毁阶段。在轨道衰降阶段，航天器仍然能够环绕地球、以螺旋形椭圆轨道飞行，但在稀薄空气动力、地球重力、磁场力等外力持续作用以及太阳活动的间歇性影响下，航天器的飞行轨道高度逐渐降低，机械能也逐渐减少，一边飞行一边向地表稠密大气层靠近。随着轨道高度降低，轨道衰降速度越来越快。当轨道高度和能量衰降到一定程度，其轨道高度低于120km时，航天器不能维持再继续环绕地球飞行，会进入稠密大气层，即进入再入损毁阶段，航天器在大气剧烈摩擦气动力/热作用下，机械能急剧减小，摩擦生热使航天器金属(合金)桁架结构变形失效熔融，在气动热、力、减速过载等综合作用下，发生剧烈破坏解体，面临再入坠毁处置问题。
[0003]论文《大型航天器离轨再入气动融合结构变形失效解体落区数值预报与应用》提出了一种模拟飞行器在高超声速再入过程中发生的结构变形及失效解体等过程的计算方法，并在实际运用过程中取得了较好的模拟效果。
[0004]但是，该方法运行时需要消耗数千甚至数万个CPU进行较长时间的计算，并不适合时间期限较短的数值预报任务。而这一问题无法凭借扩充CPU资源进行缓解，因为随着CPU资源的增加，并行程序会产生越来越多的并行通信，这些并行通信除了会占用CPU资源之外，还会增加输入堵塞、读写竞争等一系列故障的概率。因此，一味使用增加CPU资源来提升并行计算效率的方法是不可行的。

技术实现思路

[0005]本专利技术的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
[0006]为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种高超声速再入气动环境与结构变形失效毁坏一体化模拟方法，包括：
[0007]步骤一，建立含非平衡效应Boltzmann模型方程统一算法GKUA；
[0008]步骤二，建立结构动态热力耦合响应变形行为有限元计算方法FEM；
[0009]步骤三，将GKUA和FEM进行结合，建立高超声速再入气动环境与结构变形失效毁坏一体化的模拟方法，对模拟航天器再入高超声速气动力/热环境致金属桁架结构材料内部温度分布与响应变形、热损毁非线性力学行为进行模拟；
[0010]步骤四，使用CUDA架构的GPU设备对模拟方法进行并行加速。
[0011]优选的是，在步骤四中，所述并行加速的方式是对模拟方法Fortran代码进行梳理，利用CUDA Fortran编译器，将Fortran代码中反复运行的部分放入GPU设备的并行线程中进行运行。
[0012]优选的是，所述模拟方法被配置为包括：
[0013]S21、把任一时刻GKUA得到的气动热与气动力代入结构热力耦合响应计算公式，作为有限元计算的边界条件；
[0014]S22、采用GKUA求解外部流场，并根据求解获得钢板表面温度与压力作为材料结构动态热力耦合响应有限元算法界面条件，对钢板内部温度分布与变形情况进行计算分析；
[0015]S23、对待模拟对象的截面内部结构进行网格剖分，将GKUA计算得到的外部流场网格边界的温度与压力进行线性插值施加到模拟对象同物控部网格边界中，以得到待模拟对象物面边界的温度增量值；
[0016]其中，在外部流场计算中，为表征飞行器再入不同高度跨流域绕流多尺度效应，采用无量纲模型化进行计算，而在物体内部结构场的热力耦合有限元计算中则将其转换成有量纲温度与压力。
[0017]本专利技术至少包括以下有益效果：其一，本专利技术涉及一种高超声速再入气动环境与结构变形失效毁坏一体化模拟方法，是航天器测控地面站监测卫星等航天器状态的重要方法手段之一，能够根据飞行器外形、结构、材质以及各地面接收系统汇总的飞行器姿态数据，预测飞行器再入过程中结构变形失效毁坏情况，为航天器再入解体预报提供理论支撑；
[0018]其二，本专利技术的方法相较于现有技术而言，因引入CUDA构架的GPU设备对上述算法进行并行加速，从而提升高超声速再入气动环境与结构变形失效毁坏一体化模拟方法的计算效率。
[0019]本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
[0020]图1为统一算法压力云图运算结果示意图；
[0021]图2为本专利技术高超声速再入Kn
∞
＝0.01,Ma
∞
＝8.37竖直钢板绕流场温度等值线GKUA与内部温度分布FEM计算验证中GKUA计算绕流场温度分布示意图；
[0022]图3为本专利技术高超声速再入Kn
∞
＝0.01,Ma
∞
＝8.37竖直钢板绕流场温度等值线GKUA与内部温度分布FEM计算验证中钢板内部温度增量分布示意图；
[0023]图4为本专利技术高超声速再入Kn
∞
＝0.01,Ma
∞
＝8.37竖直钢板绕流场温度等值线GKUA与内部温度分布FEM计算验证中钢板内外温度分布一致性验证示意图；
[0024]图5为本专利技术中强气动力热环境Ma
∞
＝8.3666、Kn
∞
＝0.01致竖直平板不同时刻及稳态变形图(变形放大尺度为50倍)。
具体实施方式
[0025]下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0026]图1示出了根据本专利技术的一种高超声速再入气动环境与结构变形失效毁坏一体化模拟方法的实现形式，其中包括：
[0027]步骤一，建立含非平衡效应Boltzmann模型方程统一算法GKUA,基于Boltzmann模型方程的气体动理论统一算法获得部分代表性气动数据结果
[0028]根据《基于Boltzmann模型方程的气体运动论统一算法研究》等文献，此处简要引用统一算法计算流程如下：
[0029]首先输入来流的克努森数、普朗特数、马赫数、压力、温度、攻角、侧滑角、飞行高度，以及气动外形网格等数据。
[0030]其次引入当地平衡态速度分布函数f
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及气体分子碰本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高超声速再入气动环境与结构变形失效毁坏一体化模拟方法，其特征在于，包括：步骤一，建立含非平衡效应Boltzmann模型方程统一算法GKUA；步骤二，建立结构动态热力耦合响应变形行为有限元计算方法FEM；步骤三，将GKUA和FEM进行结合，建立高超声速再入气动环境与结构变形失效毁坏一体化的模拟方法，对模拟航天器再入高超声速气动力/热环境致金属桁架结构材料内部温度分布与响应变形、热损毁非线性力学行为进行模拟；步骤四，使用CUDA架构的GPU设备对模拟方法进行并行加速。2.如权利要求1所述的高超声速再入气动环境与结构变形失效毁坏一体化模拟方法，其特征在于，在步骤四中，所述并行加速的方式是对模拟方法Fortran代码进行梳理，利用CUDA Fortran编译器，将Fortran代码中反复运行的部分放入GPU设备的并行线程中进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志辉，马强，彭傲平，柳治辉，张子彬，曾实，冯西桥，
申请(专利权)人：四川大学中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所北京航空航天大学清华大学，
类型：发明
国别省市：