基于八叉树细化四面体网格的飞行器仿真驱动设计方法技术

本申请涉及一种基于八叉树细化四面体网格的飞行器仿真驱动设计方法。所述方法包括：根据几何参数曲面以飞行器为中心建立远场的长方体包围盒，得到飞行器的三维几何模型；利用八叉树细化四面体网格对所述飞行器的三维几何模型进行网格化处理，得到三维几何模型的体网格和面网格；将所述体网格和面网格的信息构建格式网格文件，利用CFD数值仿真软件对所述格式网格文件进行计算，得到飞行器的多个性能指标；所述性能指标包括飞行器升力系数和飞行器阻力系数；根据预先设置的飞行器设计要求对所述飞行器的多个性能指标进行评估，若性能指标达到设计要求则输出设计方案。采用本方法能够缩短并优化飞行器设计的仿真周期。能够缩短并优化飞行器设计的仿真周期。能够缩短并优化飞行器设计的仿真周期。

【技术实现步骤摘要】
基于八叉树细化四面体网格的飞行器仿真驱动设计方法


[0001]本申请涉及航空飞行器的仿真驱动
，特别是涉及一种基于八叉树细化四面体网格的飞行器仿真驱动设计方法。

技术介绍

[0002]随着仿真驱动技术的发展，数值仿真技术已经成为飞行器气动外形设计过程中性能分析的重要手段，在飞行器外形设计完成后，一般会根据设计的几何模型增加远场包围，进而生成可供CFD数值仿真软件计算的网格文件，在运用有限体积法或有限元法等CFD数值仿真方法计算后评估并优化飞行器外形设计方案。其中，CFD数值仿真计算的一个关键前提是需要通过网格生成技术首先将飞行器模型对应的计算域进行离散化表示，目的是将给定飞行器外流场区域划分成有限个基本几何单元，一般将三维几何区域划分为四面体或六面体单元的网格。在飞行器外流场计算区域转化成网格表示后，CFD方法在每个网格单元上存储温度、速度等物理量，然后利用物理守恒方程求解给定工况下的物理解,即各网格单元上的物理量，并通过相关计算获得飞行器升力系数、阻力系数等性能指标。因此，生成网格的单元尺寸分布和单元质量对仿真结果影响巨大，从而影响飞行器外流场设计方案的性能。此外网格生成方法的鲁棒性也往往决定着网格生成的成败，从而极大影响着飞行器设计方案的仿真周期。
[0003]然而，飞行器驱动设计方案的优化依赖CFD计算结果，作为CFD数值仿真计算的一个关键前提，通常的非结构四面体网格生成方法大多依照先生成表面网格，再基于表面网格生成体网格。因此若几何数模存在缺陷就很难生成封闭的表面网格，导致体网格生成失败，从而使得生成的飞行器驱动设计方案不准确。目前的飞行器驱动设计方案的Delaunay网格剖分法需要逐个插入新的节点到当前已有的网格，阵面推进法从边界出发逐层向区域内部生成网格。这两种方法生成三维空间的四面体网格都需要首先生成边界表面网格，在内部再逐点计算出新增网格。面对大型几何模型的高精度仿真往往会出现的三维网格生成计算量过大的情况，在生成效率方面难以有较大突破，飞行器仿真驱动设计周期长。

技术实现思路

[0004]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够缩短并优化飞行器设计仿真周期的基于八叉树细化四面体网格的飞行器仿真驱动设计方法。
[0005]一种基于八叉树细化四面体网格的飞行器仿真驱动设计方法，所述方法包括：对飞行器的几何形状进行设计，得到飞行器的几何模型文件；几何模型文件包括飞机部件的几何参数曲面；飞机部件包括机身、机翼和尾翼；几何参数曲面包括曲面的阶数、控制点数、节点向量和控制点坐标；从几何模型文件中获取飞行器的几何参数曲面，根据几何参数曲面以飞行器为中心建立远场的长方体包围盒，得到飞行器的三维几何模型；利用八叉树细化四面体网格对飞行器的三维几何模型进行网格化处理，得到三维
几何模型的体网格和面网格；将体网格和面网格的信息构建格式网格文件，利用CFD数值仿真软件对格式网格文件进行计算，得到飞行器的多个性能指标；性能指标包括飞行器升力系数和飞行器阻力系数；根据预先设置的飞行器设计要求对飞行器的多个性能指标进行评估，若性能指标达到设计要求则输出设计方案。
[0006]在其中一个实施例中，若性能指标未达到设计要求则由设计人员对飞行器的几何形状重新进行模型调整并进行性能指标评估，直至性能指标达到设计要求输出设计方案。
[0007]在其中一个实施例中，长方体包围盒的远场长度为4倍机身长度，高度为2倍机身长度，宽度为1.5倍机身长度；利用八叉树细化四面体网格对飞行器的三维几何模型进行网格化处理，得到三维几何模型的体网格和面网格，包括：定义一个固定形状的初始根网格四面体，其中初始根网格四面体的四个顶点坐标为：；获取三维几何模型的坐标范围，根据三维几何模型的坐标范围等比例更改初始根四面体尺寸至根网格可将几何模型完全包围为止，得到更改后的初始根网格四面体；对更改后的初始根网格四面体作八叉树细化网格分裂，判断当前分裂得到的四面体大小是否达到预设尺寸或细化层数是否达到预设上限，直至分裂得到最终的四面体网格单元集；从四面体网格单元集中搜索出与三维几何边界相交的四面体网格单元、与几何边界相交单元的相邻单元以及几何体内部单元，保留这些单元并删除四面体网格单元集中其他单元，得到接近飞行器及外流场几何外形的初始八叉树网格；根据飞行器的几何参数曲面对初始八叉树网格进行移动网格节点、交换边和切割网格单元，使得网格与三维几何表面完全贴合，得到三维几何模型的体网格和面网格。
[0008]在其中一个实施例中，对更改后的初始根网格四面体作八叉树细化网格分裂，直至得到达到预先设置尺寸的四面体，包括：在当前四面体每个面上连接四面体边的中点进行切割，得到顶点处四个子四面体和一个核心几何体；连接核心几何体的两个顶点进行分裂，再得到四个子四面体；子四面体形状与原四面体完全相同；子四面体表示为，其中包含子四面体四个顶点，分别为子四面体网格单元的坐标值；每次对当前所有子四面体作一次八叉树细化网格分裂，增加一次八叉树网格细化层数；判断当前分裂得到的四面体大小是否达到预设尺寸或细化层数是否达到预设上限，直至分裂得到最终的四面体网格单元集。
[0009]在其中一个实施例中，根据飞行器的几何参数曲面对初始八叉树网格进行移动网格节点、交换边和切割网格单元，使得网格与三维几何表面完全贴合，得到三维几何模型的体网格和面网格，包括：根据飞行器的几何参数曲面确定初始八叉树网格中包含几何点的四面体网格单元，对四面体网格单元中每个顶点移动后所有相邻网格单元的网格质量进行计算，得到网
格质量平均值；取每个四面体网格单元顶点中的移动后的网格质量平均值最大的顶点作为最佳可移动顶点，将最佳可移动顶点坐标修改为内部几何点坐标值；根据飞行器的几何参数曲面确定初始八叉树网格中与飞行器的几何边相交的四面体网格单元，计算与几何边相交的四面体网格单元中每个顶点与顶点相对网格面的距离再乘以预设系数，得到每个四面体顶点的最大可移动距离；获取飞行器的几何边的离散点，通过对比离散点与四面体顶点的距离得到每个顶点在几何边上的投影点，再计算出四个四面体顶点到几何边的距离；对比四面体顶点与几何边的距离和四面体顶点的最大可移动距离，若四面体顶点与几何边的距离小于四面体顶点的最大可移动距离，更改四面体顶点坐标为投影点坐标值上，否则坐标不变；根据几何参数曲面得到初始八叉树网格中与飞行器的几何面相交的四面体网格单元，对比四面体顶点与几何面的距离和此顶点的最大可移动距离，若顶点与几何面的距离小于此点的最大可移动距离，更改此顶点坐标为投影点坐标，否则坐标不变。
[0010]在其中一个实施例中，若四面体网格与几何面相交，则更改四面体关联的顶点，删除相交的四面体形成空腔，在空腔内使同一几何面上的顶点建立连接关系，形成新的四面体簇；在体网格中根据几何参数曲面和初始八叉树网格得到所有与飞行器的几何线或几何面相交的四面体网格边、四面体网格面和四面体网格体。
[0011]定义分割边、分割面和分割体，并记录相交位置，删除包含，，元素的四面体网格单元，在相交位置处建立新的连接关系，更本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于八叉树细化四面体网格的飞行器仿真驱动设计方法，其特征在于，所述方法包括：对飞行器的几何形状进行设计，得到飞行器的几何模型文件；所述几何模型文件包括飞机部件的几何参数曲面；所述飞机部件包括机身、机翼和尾翼；所述几何参数曲面包括曲面的阶数、控制点数、节点向量和控制点坐标；从所述几何模型文件中获取飞行器的几何参数曲面，根据所述几何参数曲面以飞行器为中心建立远场的长方体包围盒，得到飞行器的三维几何模型；利用八叉树细化四面体网格对所述飞行器的三维几何模型进行网格化处理，得到三维几何模型的体网格和面网格；将所述体网格和面网格的信息构建格式网格文件，利用CFD数值仿真软件对所述格式网格文件进行计算，得到飞行器的多个性能指标；所述性能指标包括飞行器升力系数和飞行器阻力系数；根据预先设置的飞行器设计要求对所述飞行器的多个性能指标进行评估，若性能指标达到设计要求则输出设计方案。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：若性能指标未达到设计要求则由设计人员对飞行器的几何形状重新进行模型调整并进行性能指标评估，直至性能指标达到设计要求输出设计方案。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述长方体包围盒的远场长度为4倍机身长度，高度为2倍机身长度，宽度为1.5倍机身长度；利用八叉树细化四面体网格对所述飞行器的三维几何模型进行网格化处理，得到三维几何模型的体网格和面网格，包括：定义一个固定形状的初始根网格四面体，其中初始根网格四面体的四个顶点坐标为：；获取三维几何模型的坐标范围，根据所述三维几何模型的坐标范围等比例更改初始根四面体尺寸至根网格可将几何模型完全包围为止，得到更改后的初始根网格四面体；对所述更改后的初始根网格四面体作八叉树细化网格分裂，判断当前分裂得到的四面体大小是否达到预设尺寸或细化层数是否达到预设上限，直至分裂得到最终的四面体网格单元集；从所述四面体网格单元集中搜索出与三维几何边界相交的四面体网格单元、与几何边界相交单元的相邻单元以及几何体内部单元，保留这些单元并删除四面体网格单元集中其他单元，得到接近飞行器及外流场几何外形的初始八叉树网格；根据飞行器的几何参数曲面对所述初始八叉树网格进行移动网格节点、交换边和切割网格单元，使得网格与三维几何表面完全贴合，得到三维几何模型的体网格和面网格。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对所述更改后的初始根网格四面体作八叉树细化网格分裂，直至得到达到预先设置尺寸的四面体，包括：在当前四面体每个面上连接四面体边的中点进行切割，得到顶点处四个子四面体和一个核心几何体；连接所述核心几何体的两个顶点进行分裂，再得到四个子四面体；所述子四面体形状与原四面体完全相同；所述子四面体表示为，其中包含子四面体四个顶点，分别为子四面体网格单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：高翔，刘金宝，龚春叶，张翔，徐传福，刘杰，
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：