基于UDF的折疊翼展開過程仿真計(jì)算

雷 歌，孫文福，莫小琴，孫景偉

（三亞學(xué)院 理工學(xué)院，海南 三亞 572022）

基于UDF的折疊翼展開過程仿真計(jì)算

雷 歌，孫文福，莫小琴，孫景偉

（三亞學(xué)院 理工學(xué)院，海南 三亞 572022）

文章在設(shè)計(jì)了一種水下航行器折疊翼展開機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，基于UDF方法對(duì)設(shè)計(jì)模型展開過程進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，討論了在某一扭轉(zhuǎn)展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)下，不同水速時(shí)折疊翼展開過程，得到在不同發(fā)射速度下折疊翼展開特性的變化規(guī)律。

折疊翼；UDF；仿真計(jì)算

水下航行器折疊翼的應(yīng)用不僅能降低發(fā)射裝置對(duì)航行器外形的限制，縮小航行器及發(fā)射裝置的徑向尺寸，節(jié)省儲(chǔ)運(yùn)空間，同時(shí)還保證了在水下航行器巡航階段，產(chǎn)生足夠的流體動(dòng)力以滿足穩(wěn)定性與機(jī)動(dòng)性等要求[1]。因此，將折疊翼技術(shù)應(yīng)用于水下航行器具有重要意義。在進(jìn)行折疊翼設(shè)計(jì)時(shí)，展開過程中的性能參數(shù)，如展開時(shí)間、展開角速度等是重要的參考指標(biāo)[2]。這些指標(biāo)可以方便對(duì)折疊翼機(jī)構(gòu)、發(fā)射裝置和控制系統(tǒng)進(jìn)行更好地設(shè)計(jì)、修改。

1 折疊翼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與展開過程分析

折疊翼活動(dòng)端從折疊位置向工作位置轉(zhuǎn)化是經(jīng)由緊固—展開—固定這一套展開機(jī)構(gòu)來完成的。運(yùn)輸及裝管狀態(tài)下，折疊翼活動(dòng)端由緊固機(jī)構(gòu)固定在折疊狀態(tài)，扭簧被預(yù)緊。當(dāng)需要折疊翼展開工作時(shí)，緊固機(jī)構(gòu)打開，活動(dòng)端在扭簧力與水動(dòng)力共同作用下，展開到位后由鎖緊機(jī)構(gòu)固定。

2 基于UDF的折疊翼展開過程仿真分析

2.1 計(jì)算方法的選擇

本文所用Fluent是目前國(guó)際上成熟的CFD軟件，其擁有大量的物理模型、完善的計(jì)算方法和其他相關(guān)軟件良好的兼容性以及卓越的前后處理功能，在軍事方面和民事方面都有廣泛應(yīng)用。Fluent經(jīng)過大量算例考核，同實(shí)驗(yàn)符合較好，由于以上優(yōu)點(diǎn)，本文使用Fluent軟件來進(jìn)行折疊翼數(shù)值仿真計(jì)算。在標(biāo)準(zhǔn)的Fluent界面添加UDF功能，可以實(shí)現(xiàn)用戶的特殊需要，UDF能夠動(dòng)態(tài)地與Fluent求解器進(jìn)行通訊，從而使求解器性能達(dá)到最優(yōu)。

2.2 UDF技術(shù)實(shí)現(xiàn)分部結(jié)果與Fluent之間的通訊過程

折疊翼在展開過程中受水動(dòng)力的作用，還受到扭簧扭力的作用。扭簧扭力在折疊翼展開過程中提供動(dòng)力，并隨著折疊翼折疊角度的變化時(shí)刻發(fā)生著變化。水對(duì)折疊翼的作用力隨折疊翼的空間位置、角速度以及角加速度的變化而變化，不同時(shí)刻受到的水的作用力也不同。

假設(shè)在當(dāng)前時(shí)間步折疊翼的空間位置、角速度以及角加速度已知，通過Fluent軟件的求解計(jì)算，獲得在當(dāng)前時(shí)間步水對(duì)折疊翼的作用力和力矩，由折疊翼受到的力和力矩求解出折疊翼的展開角加速度和角速度，并將求解得出的角速度通過UDF技術(shù)與Fluent進(jìn)行通訊，修正折疊翼的空間位置、角速度。如此反復(fù)迭代，只要所取的時(shí)間步足夠小，就可以認(rèn)為折疊翼的空間位置、角速度以及角加速的改變與所受力矩的變化是同時(shí)發(fā)生的，從而使得折疊翼整個(gè)展開過程連續(xù)、動(dòng)態(tài)地仿真出折疊翼的整個(gè)打開過程。

3 仿真計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 模型建立與網(wǎng)格的劃分

水下航行器折疊翼展開過程是一個(gè)高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程，由于航行器機(jī)體本身對(duì)折疊翼所受水動(dòng)力的影響較小，這里選取計(jì)算模型為折疊翼活動(dòng)端和轉(zhuǎn)動(dòng)軸。計(jì)算域分為固定和滑動(dòng)兩部分，距離折疊翼較近的區(qū)域隨折疊翼一起運(yùn)動(dòng)，為滑動(dòng)區(qū)域，距離折疊翼較遠(yuǎn)的區(qū)域?yàn)楣潭▍^(qū)域，兩部分的交界面為滑移面。

3.2 邊界條件及求解器設(shè)置

基于壓力耦合求解器進(jìn)行計(jì)算，空間離散方法為有限體積法（FVM），采用二階迎風(fēng)格式對(duì)控制方程進(jìn)行離散，數(shù)值求解器參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 折疊翼數(shù)值求解模型參數(shù)設(shè)置

求解器的時(shí)間步長(zhǎng)Δt取10-5s，采用SIMPLE算法在每個(gè)時(shí)間步上求解方程。在每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)計(jì)算收斂后，時(shí)間步向前推進(jìn)，計(jì)算模型網(wǎng)格自動(dòng)更新，進(jìn)行下一個(gè)時(shí)間步的計(jì)算。經(jīng)過一定步數(shù)的計(jì)算，就可獲得折疊翼展開角，展開角速度等隨時(shí)間變化曲線。

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

仿真計(jì)算過程中，取扭簧參數(shù)Ma=2（Tmin+kTa）=2+0.121a，保持水下航行器折疊翼攻角為5°，折疊翼初始折疊角為90°條件下，計(jì)算折疊翼在靜水中、8m/s，12m/s水速下的展開過程分別如圖1—3所示。

圖1 靜水中展開角度、角速度變化曲線

圖2 8m/s水速下角度、角速度變化曲線

圖3 12m/s水速下角度、角速度變化曲線

由以上各圖可以得出如下結(jié)論：（1）折疊翼在不同水速下的展開過程曲線趨勢(shì)是一致的。在折疊翼展開過程中，角速度逐漸增大，到達(dá)一定程度后，又逐漸減小，直到完全展開。（2）折疊翼展開時(shí)間隨著水速的增大變得更長(zhǎng)，展開過程中最大角速度以及完全展開時(shí)的角速度也較低水速時(shí)的角速度小，并且水速越大，折疊翼達(dá)到最大角速度的時(shí)間越慢。

4 結(jié)語

本文基于UDF方法對(duì)設(shè)計(jì)模型展開過程進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，討論了在某一扭轉(zhuǎn)展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)下，不同發(fā)射速度下折疊翼展開特性的變化規(guī)律。本文的研究結(jié)果對(duì)航行器折疊翼展開過程提供了一種新的仿真方法，為進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)水下航行器折疊翼的設(shè)計(jì)方案提供了參考，具有重要的指導(dǎo)意義。

[1]冀功祥，喻國(guó)兆.水下航行器鰭折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2010（2）：25-26.

[2]徐德民.魚雷技術(shù)論文集[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

Deployment simulation of a folding wing based on UDF

Lei Ge, Sun Wenfu, Mo Xiaoqin, Sun Jingwei
（Science and Technology College of Sanya University, Sanya 572022, China）

Based on the UDF method and a kind of structure of an underwater vehicle folding wing, numerical simulation calculation was carried out on the deployment process of the model in this paper, and discussed the unfolding process at different water velocities under the design parameters of a torsional expansion mechanism, getting the change law of the unfolding characteristic at different launch speeds.

folding wings; UDF; simulation calculation

雷歌（1987— ），女，陜西三原，碩士，助教；研究方向：機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能。