[发明专利]一种基于数据拟合的流场受力分析方法

说明书

本发明涉及一种基于数据拟合的流场受力分析方法，包括如下步骤：步骤1：建立CFD仿真环境。步骤2：CFD数据采集；步骤3：流场受力模型的函数形式推测；步骤4：模型参数估计；步骤5：模型参数的有效性验证。本发明解决了形状复杂物体产生的变化流场受力分析困难的问题，得到的受力模型是解析解的形式，可以用于特性分析以及控制器设计等。

技术领域

本发明涉及一种基于数据拟合的流场受力分析方法，该发明属于流场计算领域。

背景技术

随着航空飞行器和水下航行器在军事和民用领域有着广泛的应用，研究物体在流场中的受力情况是一项实用的并且具有重要研究价值的课题。水和空气是两种最常见的流体，无论是在空气中还是在水中，航行器以一定速度运动时会对周围流体的运动产生作用，从而生成一个变化的流场。该流场对于靠近物体的运动有着显著的干扰，从而造成一些任务的失败。例如在软管空中加油过程中，受油机机头产生的流场会对软管末端的锥套产生排斥作用，锥套受到干扰后会以较快速度被推离原有的平衡位置，最终导致对接困难。目前航空领域常采用风洞试验的方法研究飞行器在空气流场中的受力情况，但是这种试验方法成本极高，不适合广泛应用。随着计算流体力学的发展，一些仿真软件能够快速便携的计算出物体在流场中的受力情况，然后该方法无法得到受力的解析形式，具有一定局限性。

本发明提出了一种基于数据拟合的流场受力分析方法，得到的受力模型具有解析形式，更适合做理论分析和非线性控制器设计。

发明内容

本发明给出了一种基于数据拟合的流场受力分析方法。该方法以 CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体力学)仿真数据作为基础，以非线性拟合作为参数估计方法。进而针对一个特定的情况，利用CFD软件生成了大量数据，并利用这些数据进行流场受力模型形式的推测、参数的估计以及模型的验证。

本发明提出了一种基于数据拟合的流场受力分析方法，建立流场受力模型的具体步骤如下：

步骤1：CFD仿真环境建立

首先需要建立研究对象的三维模型。研究对象包括两部分，如图1所示，其中一部分是影响流体运动从而产生变化流场的物体A，另一部分是处于变化流场中需要进行受力分析的物体B。我们假设物体A的尺寸远大于物体B，因此只考虑物体A对流场的影响。该假设是具有一定现实意义的，比如软管式空中加油过程中，受油机的尺寸质量远远大于锥套，因此锥套对流场的影响可以忽略。

进一步地，在三维模型上建立用于CFD计算的CFD坐标系o_f-x_fy_fz_f，坐标系的位置和方向可以根据具体问题设置，一般而言，要使得研究对象于坐标系中具有良好的对称性。此外，对三维模型周围的大气区域进行网格划分，用于后期的CFD仿真计算求解。为了达到合适的网格密度以获得较高精度的数据，研究对象表面的网格需要密集划分，边缘部分网格可以适当稀疏。

步骤2：CFD数据采集

在步骤1建立的CFD仿真环境中，每次改变物体B的位置，然后进行数值计算得到此时物体B的受力结果。具体步骤如下：

(1)物体B的每一个位置点在CFD坐标系中对应一个位置坐标用CFD软件(例如ANSYS公司的软件包CFX和FLUEN 等)进行一次解算，获得相应的作用在物体B上的力F_B,i＝[F_Bx,i F_By,i F_Bz,i]^T，记录为第i组训练数据

(2)在划分的运动区域内，改变物体B的位置，重复(1)中的流程采集 n组训练数据。一个典型的例子如图2所示，虚线框为物体B的主要运动区域，在该区域内改变物体B的位置，计算不同位置的受力大小，采集多组训练数据，图2中给出了6个位置。

步骤3：流场受力模型的函数形式推测