[发明专利]一种基于SPH方法的飞机水箱投汲水数值模拟方法

权利要求书

1.一种基于SPH方法的飞机水箱投汲水数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，依照真实结构，建立飞机水箱几何模型和水域，选用壳单元划分方法对飞机水箱几何模型进行网格划分，生成若干个壁面壳单元；选用实体单元对飞机水箱的水域进行网格划分，生成若干个水域网格；

步骤二，在每个水域网格节点处生成SPH粒子，通过具有质量且占有独立空间的SPH粒子表示水域，粒子间不需要任何连接，排列方式也不受限制；根据水的物理参数，定义SPH粒子的物理参数和状态方程；

步骤三，根据实际工况要求，定义仿真模型中水箱弹性体部分及刚性体部分的材料参数；

步骤四，采用场函数近似法和粒子近似法构造SPH方程；

步骤五，采用对称罚函数算法处理流固耦合交界面；

步骤六，根据实际工况要求，设置仿真模型的初始条件，水箱投水过程为：水箱结构按特定工况运动，舱门以舱门转动轴为轴心，按给定角速度匀速转动，SPH粒子在重力作用下自由坠落并与水箱结构相互作用；水箱汲水过程为：水箱静止不动，SPH粒子束沿汲水口法向方向匀速运动，到达汲水口后，SPH将自由运动并与水箱结构相互作用；

步骤七，进行质量缩放，对于小于指定时间步长的单元，通过增加非物理的质量，从而缩短仿真计算时间；

步骤八，以显式积分法求得SPH粒子的场变量随时间的变化值；以有限元方法求解水陆两栖飞机水箱结构的变形和运动；检查是否出现SPH粒子穿透问题并分析计算结果是否合理，当出现SPH粒子穿透问题或计算结果不合理时返回步骤一。

2.根据权利要求1所述的基于SPH方法的飞机水箱投汲水数值模拟方法，其特征在于：所述步骤一中的飞机水箱水域是通过基于密度、能量和速度变量的偏微分方程组进行描述的，对该飞机水箱的几何模型和水域进行网格划分，以求得该偏微分方程的解析解。

3.根据权利要求2所述的基于SPH方法的飞机水箱投汲水数值模拟方法，其特征在于：所述步骤一中的壁面壳单元尺寸小于SPH粒子间距，以免发生穿透。

4.根据权利要求3所述的基于SPH方法的飞机水箱投汲水数值模拟方法，其特征在于：所述步骤二中的状态方程选用M-G状态方程：

其中，参数p表示压强、ρ₀表示密度、C表示常温常压下无扰动状态声速，μ表示冲击后粒子速度、γ₀表示Gruneisen系数，a表示γ₀的一阶体积修正系数，S₁、S₂、S₃表示待定常系数，E表示初始单位体积内的内能增量。

5.根据权利要求4所述的基于SPH方法的飞机水箱投汲水数值模拟方法，其特征在于：所述步骤四构造SPH方程的过程为：

S1，场函数近似法，用积分表示法来近似场函数，得到核近似方程即：

其中，f为三维坐标向量x的函数，Ω为包含x的积分体积，W(x-x′,h)为光滑函数；

S2，粒子近似法：应用粒子来对核近似方程进一步近似，为粒子叠加求和相对应的离散化过程，将任意排列的SPH粒子的离散化求和替代函数连续积分表达式，得到在粒子i处的函数，粒子近似表达式为：

其中，f为三维坐标向量x的函数，ρ_j为粒子j的密度，m_j为粒子j的质量，W_ij＝W(x_i-x_j，h)W_ij为i处粒子的光滑函数；通过光滑函数对其影响域内所有粒子对应函数进行加权平均近似，得到i处粒子的所有函数值；每一个时间步都重复粒子近似过程。

6.根据权利要求5所述的基于SPH方法的飞机水箱投汲水数值模拟方法，其特征在于：所述步骤五的具体过程为：定义接触参数，选择点面接触类型，当分析汲水过程时，流固耦合交界面处的SPH粒子穿透水箱结构，水箱结构壁面节点施加法向力以抵抗SPH粒子的穿透，力的大小与穿透距离有关；当分析投水过程时，舱门与下壁板之间建立转动副，以模拟投汲水系统时舱门开启的运动过程。