[發(fā)明專利]一種大幅六自由度運動的流固耦合模擬方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910856152.4
• 申請日: 2019-09-11
• 公開（公告）號: CN110717285B
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 明平劍;肖藝;張文平;張新玉;柳貢民;曹貽鵬;國杰;趙曉臣
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種大幅六自由度運動的流固耦合模擬方法，其特征是：

(1)劃分結(jié)構(gòu)物六自由度網(wǎng)格，以結(jié)構(gòu)物的旋轉(zhuǎn)中心為球心，將計算域劃分為包含結(jié)構(gòu)物的球形計算域Ω_S和球外計算域Ω_R，并分別生成計算網(wǎng)格τ_S和τ_R；定義τ_S和τ_R的球面交界面網(wǎng)格為∏_S和∏_R；

(2)設(shè)定參數(shù)：分別給定結(jié)構(gòu)物的旋轉(zhuǎn)中心和重心在地球坐標(biāo)系下的初始坐標(biāo)和結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量m、基于結(jié)構(gòu)物重心的主轉(zhuǎn)動慣量(I_xcg,I_ycg,I_zcg)；

(3)讀入網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件和初場；

(4)重構(gòu)球面supermesh；

(5)求解流場；

(6)求解各物理量；

(7)由當(dāng)前流場和網(wǎng)格節(jié)點位置，求解結(jié)構(gòu)物在地球坐標(biāo)系下的位移(x₁,x₂,x₃,φ,θ,ψ)，其中x₁,x₂,x₃和φ,θ,ψ分別為結(jié)構(gòu)物在地球坐標(biāo)系下的位移和旋轉(zhuǎn)；

(8)由(x₁,x₂,x₃,φ,θ,ψ)更新結(jié)構(gòu)物重心、旋轉(zhuǎn)中心、網(wǎng)格τ_S所有節(jié)點的坐標(biāo)；

(9)采用彈簧法，即將τ_R看作一張具有彈性的網(wǎng)，網(wǎng)格節(jié)點之間的聯(lián)系看作是一根獨立的彈簧，在球面交界面網(wǎng)格Π_R運動時，由剛度系數(shù)重新分布τ_R網(wǎng)格節(jié)點；返回步驟(4)，開始下一個時間步的計算，直至計算完成；

重構(gòu)球面supermesh包括以下步驟：

(4a)分別生成Π_R和Π_S的單元列表和n和m分別為Π_R和П_S的單元和的總數(shù)；

(4b)遍歷的單元對遍歷的單元j＝1,2,...,m，由AABB-BOX算法在地球坐標(biāo)系下判斷和是否空間重疊；

(4c)若重疊，采用球心投影，將地球坐標(biāo)系下和的投射至承影平面得到和

(4d)若不重疊，則返回步驟(4b)；

(4e)由逐邊裁剪法對和進行相交計算，得到相交部分

(4f)由逆球心投影將轉(zhuǎn)換為三維笛卡爾坐標(biāo)系下的K^int；

(4g)在地球坐標(biāo)系下根據(jù)K^int和的面積比值判斷K^int是否為有效相交；

(4h)若有效相交，則計算K^int的幾何信息，并儲拓撲關(guān)系；將加入supermesh列表

(4i)若無效相交，則返回步驟(4b)；

步驟(4b)在地球坐標(biāo)系下由AABB-BOX算法判斷和是否重疊包括以下步驟：

(4ba)分別對和建立直平行六面體和ω指對于由N個節(jié)點x_i＝(x_i,y_i,z_i),i＝1,2,...,N組成的空間平面K，分別取點A＝(max{x_i},max{y_i},max{z_i})和點B＝(min{x_i},min{y_i},min{z_i})，i＝1,2,...,N，建立以線段AB為對角線的直平行六面體，且其面均垂直于坐標(biāo)軸；

(4bb)若和有重疊部分，則和為空間重疊；反之，則無空間重疊；

步驟(4c)球心投影包括以下步驟：

(4ca)旋轉(zhuǎn)球面，使球面任意位置的和投影至承影平面內(nèi)；球面旋轉(zhuǎn)為繞過球心的旋轉(zhuǎn)軸的一次旋轉(zhuǎn)，或繞過以球心為原點的笛卡爾坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸的組合旋轉(zhuǎn)；

(4cb)由球心投影將和投影至承影平面，得到極坐標(biāo)系下的多邊形和

(4cc)將極坐標(biāo)系變換為笛卡爾坐標(biāo)系，得到笛卡爾坐標(biāo)系下的和

步驟(7)中求解結(jié)構(gòu)物在地球坐標(biāo)系下的位移包括以下步驟：

(7a)規(guī)定結(jié)構(gòu)物繞固定于結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)物坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動順序，并計算該順序下的轉(zhuǎn)換矩陣J₁和J₂；

(7b)計算結(jié)構(gòu)物在地球坐標(biāo)系下所受的力F_e和力矩M_e；

(7c)將F_e和M_e轉(zhuǎn)換至結(jié)構(gòu)物坐標(biāo)系下，得到F_s和M_s；

(7d)求解六自由度剛體運動方程:

得到結(jié)構(gòu)物在結(jié)構(gòu)物坐標(biāo)系下的速度v＝(v₁,v₂)＝(u,v,w,p,q,r)；式中為繞結(jié)構(gòu)物旋轉(zhuǎn)中心的主轉(zhuǎn)動慣量，x_g,y_g,z_g為結(jié)構(gòu)物重心到旋轉(zhuǎn)中心的向量在結(jié)構(gòu)物坐標(biāo)系下的三個分量；

(7e)將v＝(v₁,v₂)轉(zhuǎn)換為地球坐標(biāo)系下的速度

(7f)將加速度積分得到η＝(η₁,η₂)＝(x₁,x₂,x₃,φ,θ,ψ)。