[發明專利]一種基于SPH方法的飛機水箱投汲水數值模擬方法

在審

• 申請號: 202110551864.2
• 申請日: 2021-05-20
• 公開（公告）號: CN113361156A
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 陳吉昌;李勐;陳星伊;王杰;童明波
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/28;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 徐曉鷺

1.一種基于SPH方法的飛機水箱投汲水數值模擬方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一，依照真實結構，建立飛機水箱幾何模型和水域，選用殼單元劃分方法對飛機水箱幾何模型進行網格劃分，生成若干個壁面殼單元；選用實體單元對飛機水箱的水域進行網格劃分，生成若干個水域網格；

步驟二，在每個水域網格節點處生成SPH粒子，通過具有質量且占有獨立空間的SPH粒子表示水域，粒子間不需要任何連接，排列方式也不受限制；根據水的物理參數，定義SPH粒子的物理參數和狀態方程；

步驟三，根據實際工況要求，定義仿真模型中水箱彈性體部分及剛性體部分的材料參數；

步驟四，采用場函數近似法和粒子近似法構造SPH方程；

步驟五，采用對稱罰函數算法處理流固耦合交界面；

步驟六，根據實際工況要求，設置仿真模型的初始條件，水箱投水過程為：水箱結構按特定工況運動，艙門以艙門轉動軸為軸心，按給定角速度勻速轉動，SPH粒子在重力作用下自由墜落并與水箱結構相互作用；水箱汲水過程為：水箱靜止不動，SPH粒子束沿汲水口法向方向勻速運動，到達汲水口后，SPH將自由運動并與水箱結構相互作用；

步驟七，進行質量縮放，對于小于指定時間步長的單元，通過增加非物理的質量，從而縮短仿真計算時間；

步驟八，以顯式積分法求得SPH粒子的場變量隨時間的變化值；以有限元方法求解水陸兩棲飛機水箱結構的變形和運動；檢查是否出現SPH粒子穿透問題并分析計算結果是否合理，當出現SPH粒子穿透問題或計算結果不合理時返回步驟一。

2.根據權利要求1所述的基于SPH方法的飛機水箱投汲水數值模擬方法，其特征在于：所述步驟一中的飛機水箱水域是通過基于密度、能量和速度變量的偏微分方程組進行描述的，對該飛機水箱的幾何模型和水域進行網格劃分，以求得該偏微分方程的解析解。

3.根據權利要求2所述的基于SPH方法的飛機水箱投汲水數值模擬方法，其特征在于：所述步驟一中的壁面殼單元尺寸小于SPH粒子間距，以免發生穿透。

4.根據權利要求3所述的基于SPH方法的飛機水箱投汲水數值模擬方法，其特征在于：所述步驟二中的狀態方程選用M-G狀態方程：

其中，參數p表示壓強、ρ₀表示密度、C表示常溫常壓下無擾動狀態聲速，μ表示沖擊后粒子速度、γ₀表示Gruneisen系數，a表示γ₀的一階體積修正系數，S₁、S₂、S₃表示待定常系數，E表示初始單位體積內的內能增量。

5.根據權利要求4所述的基于SPH方法的飛機水箱投汲水數值模擬方法，其特征在于：所述步驟四構造SPH方程的過程為：

S1，場函數近似法，用積分表示法來近似場函數，得到核近似方程即：

其中，f為三維坐標向量x的函數，Ω為包含x的積分體積，W(x-x′,h)為光滑函數；

S2，粒子近似法：應用粒子來對核近似方程進一步近似，為粒子疊加求和相對應的離散化過程，將任意排列的SPH粒子的離散化求和替代函數連續積分表達式，得到在粒子i處的函數，粒子近似表達式為：

其中，f為三維坐標向量x的函數，ρ_j為粒子j的密度，m_j為粒子j的質量，W_ij＝W(x_i-x_j，h)W_ij為i處粒子的光滑函數；通過光滑函數對其影響域內所有粒子對應函數進行加權平均近似，得到i處粒子的所有函數值；每一個時間步都重復粒子近似過程。

6.根據權利要求5所述的基于SPH方法的飛機水箱投汲水數值模擬方法，其特征在于：所述步驟五的具體過程為：定義接觸參數，選擇點面接觸類型，當分析汲水過程時，流固耦合交界面處的SPH粒子穿透水箱結構，水箱結構壁面節點施加法向力以抵抗SPH粒子的穿透，力的大小與穿透距離有關；當分析投水過程時，艙門與下壁板之間建立轉動副，以模擬投汲水系統時艙門開啟的運動過程。