[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

说明书

本发明公开了一种基于SPH方法的飞机水箱投汲水数值模拟方法，建立飞机水箱几何模型，并进行几何清理和网格划分；在水域网格节点生成SPH粒子，并定义物理参数和状态方程；然后定义水箱材料参数，采用场函数近似法和粒子近似法构造SPH方程，采用对称罚函数算法处理流固耦合交界面并设置仿真模型的初始条件，以求得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。本发明利用SPH方法在非线性大变形、复杂液体流动模拟等方面的优势来模拟水陆两栖飞机水箱投汲水过程，分析投汲水系统结构响应、载荷特性，研究水箱投汲水过程对飞机稳定性与可靠性的影响，为水陆两栖飞机水箱优化设计提供重要参考。

技术领域

本发明涉及流体计算仿真技术领域，尤其是一种基于SPH方法的飞机水箱投汲水数值模拟方法。

背景技术

水陆两栖飞机是指即能在水面上起飞、降落和停泊，同时也能在陆上机场起降的飞机。水陆两栖飞机是为满足我国森林灭火和水上救援的迫切需要，为国家航空应急救援体系研制的一种大型水陆两栖飞机。对于水陆两栖飞机，投汲水功能不可或缺，因此研制水陆两栖飞机水箱的投汲水系统对我国发展水陆两栖飞机意义重大。

研究方法大致分为三类：理论分析、试验和数值模拟。使用理论分析研究投汲水时，通常有很多的限制条件，这就使得理论分析适用度低，并不是所有的投水汲水的问题都能够得到解析解。试验方法一直是研究流体力学最有效且最可信的方法，也被广泛采用，试验方法得到的结果可信度高，但是试验的设置通常较为繁琐，需要消耗大量的人力物力财力。试验结果一般可以作为基础算例，用来验证理论分析或者数值模拟方法的准确性。

投汲水过程中，分析水箱的动态应力及动态载荷变化对水箱结构设计意义重大，投汲水过程对飞机稳定性和可靠性的影响引人关注，与此同时，投汲水效果及影响投汲水效率的因素值得人们分析与研究。由于水箱投汲水过程具有非常复杂的液体流动特征，即具有极强的非线性，水流冲入水箱后对结构造成影响，带来严重的经济后果，可能会导致飞机失稳或产生结构上的冲击破坏。需要通过理论研究或数值计算的方法来模拟水箱投汲水的演化过程，进而计算液船内流体的作用力，最终才能准确预测液舱内部流体的作用下结构物的运动响应。以往的数值模拟方法不能很好的模拟水箱投汲水系统问题，并且试验方法也存在耗资大，效率低，时间长，不能很好地分析动态变化的问题。因此，基于SPH方法的飞机水箱投汲水数值模拟方法亟待研究。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于SPH方法的飞机水箱投汲水数值模拟方法，旨在通过SPH方法分析水箱投汲水过程，分析投汲水系统结构响应、载荷特性，为水陆两栖飞机水箱优化设计提供重要参考。

一种基于SPH方法的飞机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，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，设置仿真模型的初始条件(初始姿态角、初始运动速度、初始角速度和充水量)，初始条件无限制。水箱投水过程为：水箱保持俯仰角不变，舱门以舱门转动轴为轴心，在0.8s内由关闭状态匀速旋转至63°，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。