[發(fā)明專(zhuān)利]一種適用于高速列車(chē)的氣動(dòng)與多體動(dòng)力學(xué)緊耦合方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910521024.4
• 申請(qǐng)日: 2019-06-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110245424B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 紀(jì)占玲;郭迪龍;楊國(guó)偉;黃程德;劉雯;姚永芳;郭易;宋鑫
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/15
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/15;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 北京晟睿智杰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11603
• 代理人: 于淼

1.一種適用于高速列車(chē)的氣動(dòng)與多體動(dòng)力學(xué)緊耦合方法，其特征在于，包括：

建立列車(chē)的多體動(dòng)力學(xué)模型；

建立列車(chē)流場(chǎng)的氣動(dòng)計(jì)算模型，所述列車(chē)流場(chǎng)包括內(nèi)部流場(chǎng)和包圍所述內(nèi)部流場(chǎng)的外部流場(chǎng)，所述內(nèi)部流場(chǎng)包括列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)和前后端流場(chǎng)，包括：

所述列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)包括邊界層流場(chǎng)和邊界層外側(cè)流場(chǎng)，采用棱柱網(wǎng)格對(duì)所述邊界層流場(chǎng)劃分網(wǎng)格，采用四面體網(wǎng)格對(duì)所述邊界層外側(cè)流場(chǎng)劃分網(wǎng)格；對(duì)前后端流場(chǎng)采用六面體網(wǎng)格劃分；對(duì)外部流場(chǎng)采用六面體網(wǎng)格劃分，通過(guò)所述內(nèi)部流場(chǎng)與外部流場(chǎng)的界面數(shù)據(jù)插值進(jìn)行所述內(nèi)部流場(chǎng)和外部流場(chǎng)之間的數(shù)據(jù)交換；采用鋪層動(dòng)網(wǎng)格方法與粘性網(wǎng)格變形方法結(jié)合的方法進(jìn)行網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)，得到所述氣動(dòng)計(jì)算模型；

采用貪婪算法在流場(chǎng)物面上選取控制點(diǎn)；

利用雙時(shí)間步時(shí)間推進(jìn)方法，將所述氣動(dòng)計(jì)算模型和所述多體動(dòng)力學(xué)模型之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，具體為：

將一個(gè)物理時(shí)間步分為預(yù)定精度或預(yù)定次數(shù)的子迭代；

在每次子迭代中計(jì)算所述氣動(dòng)計(jì)算模型的氣動(dòng)載荷，并將所述氣動(dòng)載荷保存至數(shù)據(jù)文件，所述多體動(dòng)力學(xué)模型讀取所述數(shù)據(jù)文件；

計(jì)算所述多體動(dòng)力學(xué)模型，得到所述氣動(dòng)載荷作用下所述多體動(dòng)力學(xué)模型的三個(gè)平動(dòng)和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，并將所述平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度保存至所述數(shù)據(jù)文件中；

所述氣動(dòng)計(jì)算模型讀取所述數(shù)據(jù)文件，獲得所述多體動(dòng)力學(xué)模型的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，并將所述平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度變換為流場(chǎng)物面的三個(gè)位移，采用鋪層動(dòng)網(wǎng)格方法和粘性網(wǎng)格變形方法結(jié)合的方法更新網(wǎng)格位置，具體為：列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)采用粘性網(wǎng)格變形方法，以所述流場(chǎng)物面的三個(gè)位移作為所述控制點(diǎn)的位移，將所述控制點(diǎn)的位移分解為列車(chē)前進(jìn)位移和列車(chē)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)改變引起的位移，根據(jù)列車(chē)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)改變引起的位移，利用LU分解求解插值系數(shù)，構(gòu)造徑向基插值函數(shù)，求取所述列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)內(nèi)的網(wǎng)格由列車(chē)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)改變引起的位移，加上列車(chē)前進(jìn)位移，更新所述列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)內(nèi)的網(wǎng)格位置；前后端流場(chǎng)采用鋪層動(dòng)網(wǎng)格方法，列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)與前后端流場(chǎng)的共用界面以列車(chē)運(yùn)行速度運(yùn)動(dòng)，拉伸后端流場(chǎng)，壓縮前端流場(chǎng)，更新所述前后端流場(chǎng)內(nèi)的網(wǎng)格位置；

當(dāng)計(jì)算精度達(dá)到所述預(yù)定精度，或迭代次數(shù)達(dá)到所述預(yù)定次數(shù)時(shí)，進(jìn)入下一物理時(shí)間步。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于高速列車(chē)的氣動(dòng)與多體動(dòng)力學(xué)緊耦合方法，其特征在于，所述邊界層流場(chǎng)包括靠近所述流場(chǎng)物面的至少6層網(wǎng)格；所述邊界層外側(cè)流場(chǎng)位于所述邊界層流場(chǎng)和所述外部流場(chǎng)之間。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于高速列車(chē)的氣動(dòng)與多體動(dòng)力學(xué)緊耦合方法，其特征在于，所述前后端流場(chǎng)位于所述外部流場(chǎng)和所述邊界層外側(cè)流場(chǎng)之間，包括前端流場(chǎng)和后端流場(chǎng)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于高速列車(chē)的氣動(dòng)與多體動(dòng)力學(xué)緊耦合方法，其特征在于，所述在每次子迭代中計(jì)算所述氣動(dòng)計(jì)算模型的氣動(dòng)載荷，具體為：

提取流場(chǎng)物面上單元壓力和壁面剪切力，通過(guò)公式計(jì)算流場(chǎng)物面上沿坐標(biāo)軸方向的氣動(dòng)力和相對(duì)于列車(chē)質(zhì)心的力矩，所述公式為：

其中，F(xiàn)_x、F_y和F_z分別為流場(chǎng)物面上氣動(dòng)力在x、y和z軸方向上力的分量；M_x、M_y和M_z分別為流場(chǎng)物面上氣動(dòng)力相對(duì)于列車(chē)質(zhì)心繞x、y和z軸的力矩；n為流場(chǎng)物面上總單元數(shù)量；P_e為流場(chǎng)物面上單元壓力；S_xe、S_ye和S_ze分別為流場(chǎng)物面上單元在yoz、xoz和xoy平面上的投影面積；F_τxe、F_τye和F_τze分別為流場(chǎng)物面上單元在x、y和z軸方向上的壁面剪切力；l_x、l_y和l_z分別為流場(chǎng)物面上單元中心相對(duì)于列車(chē)質(zhì)心沿x、y和z軸方向的距離。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于高速列車(chē)的氣動(dòng)與多體動(dòng)力學(xué)緊耦合方法，其特征在于，所述多體動(dòng)力學(xué)模型讀取所述數(shù)據(jù)文件，具體為：所述多體動(dòng)力學(xué)模型通過(guò)覆蓋置換變量的方式讀取所述數(shù)據(jù)文件。