基于魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)全工作過(guò)程聯(lián)合仿真預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)方法

馬為峰, 李 鑫, 韓新波, 萬(wàn)榮華, 韓勇軍

基于魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)全工作過(guò)程聯(lián)合仿真預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)方法

馬為峰, 李 鑫, 韓新波, 萬(wàn)榮華, 韓勇軍

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

針對(duì)魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)缺乏多學(xué)科集成設(shè)計(jì)環(huán)境, 不能實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科跨系統(tǒng)協(xié)同等問(wèn)題, 基于魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)仿真的發(fā)展現(xiàn)狀, 提出了基于魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)全工作過(guò)程聯(lián)合仿真的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)方法, 構(gòu)建了涵蓋不同維度、不同專業(yè)仿真軟件和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)力系統(tǒng)仿真驗(yàn)證體系, 探索了子系統(tǒng)數(shù)值仿真、方案優(yōu)化和系統(tǒng)數(shù)值試驗(yàn)的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)途徑, 在實(shí)現(xiàn)多方案設(shè)計(jì)參數(shù)驅(qū)動(dòng)和跨學(xué)科跨系統(tǒng)交互仿真的同時(shí), 完成了系統(tǒng)數(shù)字化驗(yàn)證和性能評(píng)價(jià)。通過(guò)仿真實(shí)例說(shuō)明, 該方法可以直觀顯示系統(tǒng)工作過(guò)程的流場(chǎng)細(xì)節(jié)和參數(shù)變化規(guī)律, 完成系統(tǒng)性能的虛擬驗(yàn)證, 實(shí)現(xiàn)從“傳統(tǒng)設(shè)計(jì)”到“預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)”的轉(zhuǎn)變, 提高設(shè)計(jì)成功率和可靠性, 縮短研制周期, 為魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng); 聯(lián)合仿真; 預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)

0 引言

魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)是一個(gè)空間和質(zhì)量受限的復(fù)雜熱力系統(tǒng), 目前主要采用基于OTTO-Ⅱ燃料的活塞機(jī)動(dòng)力、二氧化物/JP5燃料熱動(dòng)力[1]、HAP /OTTO燃料熱動(dòng)力、水反應(yīng)金屬燃料噴射推進(jìn)熱動(dòng)力、HYDROX熱動(dòng)力等形式, 研究涉及熱力學(xué)、燃燒學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)和材料學(xué)等諸多學(xué)科及交叉領(lǐng)域, 物理化學(xué)過(guò)程復(fù)雜[2], 耦合性強(qiáng), 影響因素多。該系統(tǒng)的研制必須進(jìn)行大規(guī)模的零部件試驗(yàn)、功能子系統(tǒng)聯(lián)合試驗(yàn)、系統(tǒng)功率試驗(yàn)、湖試和海試, 研發(fā)周期長(zhǎng)、耗費(fèi)大。為縮短研發(fā)周期, 減少耗費(fèi), 必須提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)質(zhì)量和一次開(kāi)發(fā)成功率。這要求加大數(shù)值仿真和數(shù)值試驗(yàn)的力度, 以期在設(shè)計(jì)初期暴露問(wèn)題, 優(yōu)化方案, 降低研制風(fēng)險(xiǎn), 同時(shí), 利用數(shù)值試驗(yàn)的方法可代替或減少部分物理試驗(yàn), 降低研制費(fèi)用, 縮短研制周期。

鋁基水反應(yīng)金屬燃料動(dòng)力[2]等新型能源動(dòng)力系統(tǒng)雖具有前瞻性、戰(zhàn)略性和帶動(dòng)性, 但由于起點(diǎn)低, 基礎(chǔ)薄弱, 還不具備進(jìn)行全系統(tǒng)試驗(yàn)和大量分系統(tǒng)試驗(yàn)的條件, 安全性和經(jīng)濟(jì)性方面也欠完善。因此, 同樣需要利用數(shù)值仿真方法來(lái)擺脫物理模型和試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南拗? 模擬真實(shí)條件和試驗(yàn)中只能接近而無(wú)法達(dá)到的理想條件, 通過(guò)仿真得到詳細(xì)完整的系統(tǒng)性能參數(shù), 對(duì)系統(tǒng)的工作過(guò)程進(jìn)行性能預(yù)示, 得到各子系統(tǒng)及其參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律, 為理論和試驗(yàn)研究工作提供指導(dǎo)。

文中針對(duì)魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)缺乏多學(xué)科集成設(shè)計(jì)環(huán)境, 不能實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科跨系統(tǒng)的協(xié)同等問(wèn)題, 基于魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)仿真的發(fā)展現(xiàn)狀, 提出了涵蓋數(shù)值仿真、方案優(yōu)化和數(shù)值試驗(yàn)的系統(tǒng)全工作過(guò)程聯(lián)合仿真優(yōu)化方法, 在實(shí)現(xiàn)多方案設(shè)計(jì)參數(shù)驅(qū)動(dòng)和跨學(xué)科跨系統(tǒng)交互仿真的同時(shí), 構(gòu)建了全系統(tǒng)啟動(dòng)、變工況非穩(wěn)態(tài)過(guò)程的性能預(yù)報(bào), 完成了系統(tǒng)數(shù)字化驗(yàn)證和性能評(píng)價(jià), 實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)到預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變。

1 系統(tǒng)預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

先進(jìn)的設(shè)計(jì)流程和性能評(píng)估是實(shí)現(xiàn)技術(shù)快速轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的核心。目前, 國(guó)外工業(yè)設(shè)計(jì)和評(píng)估已發(fā)展到全數(shù)字化虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)階段, 正向綜合優(yōu)化的精益樣機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)渡。通過(guò)三維設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真、流體仿真和機(jī)械仿真, 借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù), 不但可以在設(shè)計(jì)階段看到完整的幾何產(chǎn)品樣機(jī), 而且可以了解樣機(jī)的性能是否滿足要求, 從而在產(chǎn)品實(shí)物加工前進(jìn)行完整的測(cè)試和評(píng)估, 極大地加快產(chǎn)品研制進(jìn)度并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì), 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過(guò)程中, 采用數(shù)值仿真技術(shù)可使研制時(shí)間節(jié)省約33%, 研制費(fèi)用節(jié)省約50%。該技術(shù)是現(xiàn)代先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)研制技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向, 是“迄今為止最為有效的經(jīng)濟(jì)的綜合集成方法”, 是推動(dòng)科技進(jìn)步的戰(zhàn)略技術(shù)[3-4]。

20世紀(jì)90年代后期, 美國(guó)國(guó)家航空航天局(national aeronautics and space administration, NASA)的格倫研究中心與美國(guó)國(guó)防部提出了數(shù)值推進(jìn)系統(tǒng)仿真(numerical propulsion system si- mulation, NPSS)的研究計(jì)劃[3-5]。該計(jì)劃以大規(guī)模、分布式、高性能計(jì)算和通信環(huán)境為依托, 采用最先進(jìn)的面向?qū)ο蠹斑h(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作技術(shù), 將推進(jìn)系統(tǒng)各部件、各分系統(tǒng)與多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)、分析與評(píng)估集成在一起, 能為推進(jìn)系統(tǒng)的前期設(shè)計(jì)在性能、操作性和壽命方面提供準(zhǔn)確參數(shù), 通過(guò)減少重復(fù)設(shè)計(jì)、重復(fù)試驗(yàn)和昂貴的硬件設(shè)施建設(shè)三方面為生產(chǎn)廠商節(jié)約30%～40%的研制時(shí)間和經(jīng)費(fèi), 從而確保美國(guó)在航空航天領(lǐng)域長(zhǎng)期、絕對(duì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì), 具有重大的軍事和經(jīng)濟(jì)意義。

21世紀(jì)初, 俄羅斯中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院開(kāi)發(fā)了燃?xì)廨啓C(jī)計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng), 可對(duì)整機(jī)及其部件流道的流動(dòng)情況, 以及發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算, 并擴(kuò)展到非定常的過(guò)渡態(tài)計(jì)算。程序的運(yùn)行控制通過(guò)專用的任務(wù)輸入系統(tǒng)實(shí)現(xiàn), 后處理包括通用軟件界面及專用可視化界面[5-7]。

國(guó)內(nèi)在航空推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)值仿真方面做了很多工作, 并將研究成果部分集成到統(tǒng)一的設(shè)計(jì)平臺(tái)上, 實(shí)現(xiàn)了子系統(tǒng)的數(shù)字化仿真。例如, 北京航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真研究中心[6-7], 在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)和部件進(jìn)行高精度、高保真的多學(xué)科綜合數(shù)值仿真, 實(shí)現(xiàn)了多維度系統(tǒng)性能評(píng)估, 技術(shù)水平國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。

隨著魚(yú)雷能源與動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展, 傳統(tǒng)的樣機(jī)研發(fā)流程和驗(yàn)證方法越來(lái)越難以滿足新型動(dòng)力的研發(fā)。在借鑒新時(shí)期航空系統(tǒng)研發(fā)思路的基礎(chǔ)上, 彭博等[8]基于魚(yú)雷熱動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展水平和趨勢(shì), 探討了魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展模式, 提出了型號(hào)研究與單項(xiàng)技術(shù)突破并行發(fā)展的研究思路, 明確了采用數(shù)值仿真、虛擬樣機(jī)和試驗(yàn)驗(yàn)證相互支撐的技術(shù)發(fā)展途徑。通過(guò)研究和發(fā)展, 國(guó)內(nèi)魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)具備了系統(tǒng)及系統(tǒng)內(nèi)部變復(fù)雜度仿真、多場(chǎng)耦合仿真、計(jì)算流體力學(xué)/結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真等能力, 涵蓋了產(chǎn)品全壽命周期系統(tǒng)和子系統(tǒng)不同維度和專業(yè)的仿真, 魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)仿真主要方向和使用軟件如圖1所示。

圖1 魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)聯(lián)合仿真主要方向和使用軟件

2 預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)體系構(gòu)建

為形成較為完善的設(shè)計(jì)理論和性能評(píng)價(jià)體系, 構(gòu)建自上而下的正向設(shè)計(jì)仿真體系, 促進(jìn)測(cè)繪仿制到自行研制的發(fā)展, 文中基于系統(tǒng)和子系統(tǒng)不同維度和專業(yè)的仿真軟件, 研究了魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)全工作過(guò)程聯(lián)合仿真的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)體系的功能、架構(gòu)和數(shù)據(jù)交換方式, 建立了包含性能、設(shè)計(jì)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)等內(nèi)容的數(shù)據(jù)庫(kù), 基于Workbench封裝集成了UG、Mechanical、CFX、FLUENT、ADAMS、VC、VF、VB、MATLAB等軟件并支持各種程序自動(dòng)運(yùn)行, 采用數(shù)據(jù)縮放技術(shù)實(shí)現(xiàn)了不同學(xué)科設(shè)計(jì)仿真軟件不同維數(shù)模型以及系統(tǒng)和子系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)量的相互映射, 提高系統(tǒng)的仿真效率和精度; 通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)、多場(chǎng)耦合、計(jì)算流體力學(xué)、虛擬樣機(jī)等仿真方法, 建立針對(duì)不同仿真目的的仿真流程, 實(shí)現(xiàn)仿真流程的層次化框架管理, 在統(tǒng)一架構(gòu)下, 構(gòu)建具有仿真數(shù)據(jù)和流程管理的基礎(chǔ)平臺(tái), 如圖2所示。根據(jù)基礎(chǔ)平臺(tái)形式, 提出軟件集成要求, 形成軟件集成的接口規(guī)范。

圖2 魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)平臺(tái)架構(gòu)

建立魚(yú)雷熱動(dòng)力子系統(tǒng)的數(shù)字模型, 確定各子系統(tǒng)的工作參數(shù)、邊界條件和匹配關(guān)系, 形成系統(tǒng)數(shù)字模型。利用基礎(chǔ)平臺(tái)系統(tǒng)仿真軟件、數(shù)值仿真軟件的集成與數(shù)據(jù)交換, 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、子系統(tǒng)仿真, 以及系統(tǒng)和子系統(tǒng)聯(lián)合仿真, 從整體和局部對(duì)系統(tǒng)和子系統(tǒng)的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估及系統(tǒng)工作過(guò)程演示, 驗(yàn)證系統(tǒng)構(gòu)型方案、參數(shù)匹配和對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。

通過(guò)軟件集成、數(shù)據(jù)庫(kù)封裝和數(shù)據(jù)映射等技術(shù)手段, 集成了各專業(yè)學(xué)科獨(dú)立的設(shè)計(jì)仿真工具, 打通了軟件程序間的信息連接通道, 建立了基于魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)全工作過(guò)程聯(lián)合仿真的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)體系, 確立了自動(dòng)化、規(guī)范化的設(shè)計(jì)流程, 實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科、跨系統(tǒng)協(xié)同。

3 方法及仿真實(shí)例分析

基于魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)全工作過(guò)程聯(lián)合仿真的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)方法以系統(tǒng)方案和工作參數(shù)為輸入, 以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design, CAD)建模技術(shù)和多領(lǐng)域仿真技術(shù)為核心, 基于具有聯(lián)合仿真能力和結(jié)果演示的魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真平臺(tái), 通過(guò)各種動(dòng)態(tài)性能仿真掌握系統(tǒng)整體模型在真實(shí)條件下的特性, 并根據(jù)數(shù)字化驗(yàn)證結(jié)果對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化, 以數(shù)字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)物樣機(jī)試驗(yàn), 驗(yàn)證和評(píng)價(jià)系統(tǒng)參數(shù)匹配性、工作過(guò)程組織的合理性等。

基于魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)全工作過(guò)程聯(lián)合仿真的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)方法及仿真實(shí)例如下。

1) 根據(jù)設(shè)計(jì)輸入進(jìn)行系統(tǒng)熱力計(jì)算, 獲得系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況的工作參數(shù)和主要節(jié)點(diǎn)參數(shù), 如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出功率、燃燒室壓力以及工質(zhì)流量等。在進(jìn)行系統(tǒng)熱力計(jì)算時(shí), 可以根據(jù)總體約束條件進(jìn)行優(yōu)化。

2) 基于魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真平臺(tái), 將系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況的工作參數(shù)和主要節(jié)點(diǎn)參數(shù)映射為系統(tǒng)集總參數(shù)仿真和系統(tǒng)一維仿真的輸入?yún)?shù)。

3) 初選燃燒室容積等結(jié)構(gòu)參數(shù), 完成系統(tǒng)集總參數(shù)仿真和系統(tǒng)一維仿真, 掌握系統(tǒng)變工況過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性, 獲得系統(tǒng)全工作過(guò)程的若干時(shí)刻和典型工況的各功能子系統(tǒng)工作參數(shù)和邊界參數(shù), 如啟動(dòng)過(guò)程和變工況過(guò)程中的燃燒室壓力峰值和峰值時(shí)間等。系統(tǒng)集總參數(shù)仿真全工作過(guò)程參數(shù)變化如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)集總參數(shù)仿真全工作過(guò)程參數(shù)變化

4) 基于魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)將各功能子系統(tǒng)定工況和變工況的工作參數(shù)和邊界參數(shù)映射到子系統(tǒng)零維、一維和多維的接口邊界上, 即系統(tǒng)向子系統(tǒng)傳遞接口邊界條件[9]。映射的邊界參數(shù)包括啟動(dòng)過(guò)程、穩(wěn)定工況以及變工況過(guò)程的邊界參數(shù)。

5) 建立子系統(tǒng)功能樣機(jī), 以映射的全工作過(guò)程工作參數(shù)和邊界參數(shù)為輸入, 完成子系統(tǒng)零維、一維和多維變結(jié)構(gòu)仿真, 通過(guò)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等參數(shù)及分布規(guī)律對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化功能驗(yàn)證和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化, 形成最優(yōu)的子系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)。

6) 魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)將子系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)傳遞給系統(tǒng), 如燃燒室容積、長(zhǎng)度等, 進(jìn)行系統(tǒng)集總參數(shù)仿真和系統(tǒng)一維仿真校核。如果相鄰2次計(jì)算的誤差達(dá)到設(shè)定值, 結(jié)束系統(tǒng)仿真和子系統(tǒng)聯(lián)合仿真, 以最后一輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)為終值進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。否則, 以傳遞給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為初選結(jié)構(gòu)參數(shù), 重新執(zhí)行流程3)、4)、5)進(jìn)行迭代, 直至誤差滿足要求。系統(tǒng)和子系統(tǒng)聯(lián)合仿真流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)和子系統(tǒng)聯(lián)合仿真流程

7) 以系統(tǒng)和子系統(tǒng)聯(lián)合仿真獲得的系統(tǒng)邊界參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)固化形成子系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī), 進(jìn)行子系統(tǒng)工作過(guò)程不同時(shí)刻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動(dòng)、傳熱、傳動(dòng)和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)等性能的預(yù)測(cè)與驗(yàn)證。燃燒子系統(tǒng)不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)如圖5所示。

8) 基于魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)全工作過(guò)程聯(lián)合仿真結(jié)果, 提取表征系統(tǒng)或子系統(tǒng)特性(如溫度分布均勻性和摻混均勻性)的參數(shù), 對(duì)比不同邊界條件和輸入?yún)?shù)下流場(chǎng)的差異程度, 總結(jié)參數(shù)變化的趨勢(shì)和規(guī)律, 對(duì)系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于評(píng)價(jià)參數(shù)不唯一的, 可以建立目標(biāo)函數(shù), 進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[10]。

圖5 燃燒子系統(tǒng)不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)

系統(tǒng)全工作過(guò)程中燃燒與熱功轉(zhuǎn)換參數(shù)變化如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)全工作過(guò)程中燃燒與熱功轉(zhuǎn)換參數(shù)變化

基于魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)全工作過(guò)程聯(lián)合仿真的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)將各子系統(tǒng)的仿真或聯(lián)合仿真置于系統(tǒng)的整個(gè)工作過(guò)程中, 既可以多維度模擬真實(shí)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過(guò)程, 直觀顯示系統(tǒng)工作過(guò)程的參數(shù)變化規(guī)律和流場(chǎng)細(xì)節(jié), 又可以拓展真實(shí)的試驗(yàn)邊界參數(shù), 獲得系統(tǒng)多參數(shù)耦合穩(wěn)定區(qū)域, 探索影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)和影響權(quán)重, 實(shí)現(xiàn)熱動(dòng)力系統(tǒng)多維動(dòng)態(tài)、多學(xué)科集成設(shè)計(jì)與分析[8-10]。

應(yīng)用文中方法開(kāi)展了多型在役在研魚(yú)雷能源動(dòng)力系統(tǒng)的性能預(yù)示和評(píng)價(jià), 取得了顯著效果。在開(kāi)發(fā)全系統(tǒng)虛擬數(shù)字樣機(jī)的同時(shí), 建立了各子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)了特殊構(gòu)造下高溫、易燃等真實(shí)場(chǎng)景的參數(shù)變化規(guī)律, 印證和延拓了穩(wěn)態(tài)過(guò)程試驗(yàn)結(jié)果, 預(yù)報(bào)了系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)過(guò)程性能。

基于全過(guò)程仿真的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)以系統(tǒng)多學(xué)科、多維度仿真為核心, 以系統(tǒng)需求和構(gòu)型為輸入, 以數(shù)字化樣機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)為輸出, 支撐物理樣機(jī)研制和試驗(yàn)評(píng)估?；谌^(guò)程仿真的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)在系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)(需求分析、全過(guò)程仿真優(yōu)化、設(shè)計(jì)與加工、性能評(píng)估)中的關(guān)系如圖7所示。

圖7 基于全過(guò)程仿真的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著魚(yú)雷動(dòng)力系統(tǒng)性能指標(biāo)日益提高、研制任務(wù)的日漸緊迫、人力資源成本不斷增加, 傳統(tǒng)的研發(fā)模式已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)有需要, 必須改變現(xiàn)有的研發(fā)模式, 借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和現(xiàn)代信息化技術(shù)的研究成果, 實(shí)現(xiàn)基于魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)全工作過(guò)程聯(lián)合仿真的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì), 在更寬、更高、更廣、更精細(xì)的層次上進(jìn)行研發(fā)和設(shè)計(jì)。

基于魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)全工作過(guò)程聯(lián)合仿真的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)方法可以構(gòu)造易于修改的數(shù)字化產(chǎn)品, 直觀快速地比較多種方案, 仿真真實(shí)工況下數(shù)字化樣機(jī)的性能, 在產(chǎn)品的初步方案確定后同時(shí)進(jìn)行性能分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)仿真、有限元分析等工作, 并根據(jù)各自的仿真分析結(jié)果提出改進(jìn)措施。該方法將魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)研制中的方案選擇、參數(shù)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、虛擬試驗(yàn)和性能優(yōu)化置于計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下進(jìn)行, 充分利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù), 提高產(chǎn)品的性能, 改變了以往設(shè)計(jì)—加工—驗(yàn)證的設(shè)計(jì)模式, 提供了一個(gè)全新的正向系統(tǒng)研發(fā)模式, 可以實(shí)現(xiàn)魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)到預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變, 大幅度提高設(shè)計(jì)成功率和可靠性, 減少試驗(yàn)次數(shù), 降低研制成本和風(fēng)險(xiǎn), 縮短研制周期。

[1] 查志武. 魚(yú)雷熱動(dòng)力技術(shù)發(fā)展展望[J]. 魚(yú)雷技術(shù), 2005, 13(1): 1-4, 9.Zha Zhi-wu. A Summary of Development in Torpedo Power Technologies[J]. Torpedo Technology, 2005, 13(1): 1-4, 9.

[2] 路駿. 鋁基水反應(yīng)金屬燃料動(dòng)力系統(tǒng)建模與仿真[J]. 魚(yú)雷技術(shù), 2016, 24(3): 211-216.Lu Jun. Modeling and Simulation of Underwater Propulsion System Based on Hydroreactive Aluminum Metal Fuel[J]. Torpedo Technology, 2016, 24(3): 211-216.

[3] 金捷. 美國(guó)推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)值仿真(NPSS)計(jì)劃綜述[J]. 燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究, 2003, 16(1): 57-60.Jin Jie. A Summary of Numerical Propulsion Simulation System(NPSS) by NASA[J]. Gas Turbine Experiment and Research, 2003, 16(1): 57-60.

[4] Evans A L, Pollen G, Naiman C, et al. Numerical Propulsion System Simulations National Cycle Program[C]//34thAIAA/ ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Cleveland, OH, U.S.A.: AIAA, 1998.

[5] Claus R W, Evans A L, Follen G J. Multidisciplinary Propulsion Simulation Using NPSS[C]//4thSymposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization. Cleveland, OH, U.S.A.: AIAA, 1992.

[6] 王鵬, 鄒正平, 周志翔, 等. 適用于不同維數(shù)耦合的數(shù)值模擬方法研究[J]. 工程力學(xué), 2013, 30(1): 400-406.Wang Peng, Zou Zheng-ping, Zhou Zhi-xiang, et al. Study on Multi-Dimension Coupling Numerical Simulation[J]. Engineering Mechanics, 2013, 30(1): 400-406.

[7] 曹志松, 于龍江, 樸英. 可擴(kuò)展的推進(jìn)系統(tǒng)仿真平臺(tái):部分Ⅱ-可擴(kuò)展的框架結(jié)構(gòu)[J]. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào), 2007, 22(2): 268-273. Cao Zhi-song, Yu Long-jiang, Piao Ying. An Extensible Propulsion Simulation Platform: Part Ⅱ-extensible Framework[J]. Journal of Aerospace Power, 2007, 22(2): 268-273.

[8] 彭博, 史小鋒, 何長(zhǎng)富.魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展模式探討[J]. 魚(yú)雷技術(shù), 2002, 10(2): 1-4.Peng Bo, Shi Xiao-feng, He Chang-fu. The Development Modes of Thermal Power System in Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2002, 10(2): 1-4.

[9] 張寶亮, 范秦寅, 胡廣洪, 等．整車熱管理的一維與三維耦合仿真[J]. 汽車工程, 2011, 33(6): 493-496, 501.Zhang Bao-liang, Fan Qin-yin, Hu Guang-hong, et al. 1D/3D Coupling Simulation on Vehicle Thermal Management[J]. Automotive Engineering, 2011, 33(6): 493- 496, 501.

[10] 馬為峰, 彭博, 高愛(ài)軍, 等. 魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系初探[J]. 魚(yú)雷技術(shù), 2014, 22(5): 352-356.Ma Wei-feng, Peng Bo, Gao Ai-jun, et al. Performance Evaluation Index System of Torpedo Thermal Power System[J]. Torpedo Technology, 2014, 22(5): 352-356.

1. 耿少航, 黨建軍, 趙佳, 等. 高壓下含大比例不凝氣體的水蒸氣對(duì)流冷凝數(shù)值仿真. 2021, 29(1).

2. 曹浩, 屈明寶, 王祎, 等. 熱動(dòng)力水下航行器潤(rùn)滑系統(tǒng)建模與仿真. 2020, 28(4).

3. 藺旋, 胡橋, 王朝暉. 基于熱電效應(yīng)的水下航行器熱電余熱回收方法. 2019, 27(6).

4. 曹浩, 張偉偉, 文立華, 等. 魚(yú)雷動(dòng)力系統(tǒng)振動(dòng)控制技術(shù)及應(yīng)用研究. 2019, 27(5).

5. 李鑫, 楊赪石, 彭博. 基于多維聯(lián)合仿真技術(shù)的魚(yú)雷動(dòng)力系統(tǒng)特性研究. 2019, 27(4).

6. 張凱, 尹韶平, 曹小娟, 等. 魚(yú)雷動(dòng)力及推進(jìn)系統(tǒng)簡(jiǎn)化建模與振動(dòng)分析. 2019, 27(2).

Prediction Design Method on Whole Working Process Co-Simulation of Torpedo Thermal Propulsion System

MA Wei-feng, LI Xin, HAN Xin-bo, WAN Rong-hua, HAN Yong-jun

(The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China)

In view of lack of a multi-disciplinary integrated design environment for torpedo thermal propulsion system and inability to achieve interdisciplinary cross-system coordination, this paper investigates the co-simulation prediction design method on the whole working process of torpedo thermal propulsion system based on the development status of torpedo thermal propulsion system simulation. This study provides a simulation and verification system of the thermal propulsion system using different dimensions, different professional simulation software and test data, and explores the prediction design method of the subsystem numerical simulation, scheme design optimization and the system numerical tests, in realizing the drive of the design parameters and interdisciplinary cross-system simulation, completes the digital verification and performance evaluation. The simulation examples show that the method enables the visual display of fluid field details and parameter changes, thereby facilitating the virtual validation of system performance. Using this method, the transfer from the conventional design to predicted design is achieved. As a result, design success rate and product reliability are enhanced while the design period is reduced, which is crucial for the research and development of torpedo thermal propulsion systems.

thermal propulsion system of torpedo; co-simulation; prediction design

TJ630.32; TP391.9

A

2096-3920(2021)02-0224-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.014

馬為峰, 李鑫, 韓新波, 等. 基于魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)全工作過(guò)程聯(lián)合仿真預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)方法[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2021, 29(2): 224-229.

2020-02-16;

2020-05-28.

馬為峰(1977-), 男, 碩士, 高工, 主要研究方向?yàn)樗履茉磩?dòng)力技術(shù).

(責(zé)任編輯: 陳 曦)