一種適用于熱防護系統(tǒng)瞬態(tài)溫度場計算的熱環(huán)境插值方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種適用于熱防護系統(tǒng)瞬態(tài)溫度場計算的熱環(huán)境插值方法,屬于高超 聲速飛行器熱防護技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航天技術(shù)以及軍民用需求的發(fā)展,高超聲速飛行器目前已成為世界各航天大 國競相發(fā)展的熱點。由國外高超聲速飛行器的發(fā)展歷程可以看出,幾乎所有高超聲速飛行 器在研制過程中均將熱防護技術(shù)列為重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。氣動熱環(huán)境是熱防護系統(tǒng)設(shè)計 的重要輸入條件,為高超聲速飛行器熱防護結(jié)構(gòu)溫度場分析、力-熱耦合分析、熱-噪聲分 析、熱氣動彈性分析等方面提供了重要支撐。
[0003] 對于復(fù)雜外形的高超聲速飛行器熱防護系統(tǒng)來說,熱環(huán)境數(shù)據(jù)是熱防護系統(tǒng)方案 設(shè)計的重要輸入,是熱防護系統(tǒng)溫度場分析以及力、熱等多場耦合分析的基礎(chǔ)和前提。根據(jù) 熱環(huán)境計算方法的不同,熱環(huán)境載荷數(shù)據(jù)有兩種:一種是基于工程計算方法得到的典型位 置熱環(huán)境;另一種是基于數(shù)值計算方法得到的流場網(wǎng)格上的熱環(huán)境。當(dāng)采用工程算法得到 的熱環(huán)境進行熱防護系統(tǒng)溫度場分析時,傳統(tǒng)的做法是將計算區(qū)域施加均布熱環(huán)境載荷, 或者將計算區(qū)域分成多個子域分別施加熱環(huán)境載荷,這兩種方法,前者由于對問題過度簡 化,分析精度低;后者模型處理方式復(fù)雜,且精度也較低;當(dāng)采用數(shù)值計算方法得到的熱環(huán) 境進行溫度分析時,傳統(tǒng)的方法是利用流場與結(jié)構(gòu)界面的流場網(wǎng)格及結(jié)構(gòu)網(wǎng)格及其節(jié)點信 息進行熱環(huán)境載荷插值,不僅數(shù)據(jù)處理困難,且當(dāng)兩者網(wǎng)格尺寸相差較大時,會對插值精度 產(chǎn)生影響。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決熱防護系統(tǒng)溫度場計算中的熱環(huán)境加載問題,克服現(xiàn)有 技術(shù)中數(shù)據(jù)或模型處理困難、分析精度低等缺點,提出一種適用于熱防護系統(tǒng)瞬態(tài)溫度場 計算的熱環(huán)境插值方法,該方法為無網(wǎng)格插值方法,既能將工程計算方法得到的熱環(huán)境數(shù) 據(jù)精確地插值到結(jié)構(gòu)表面,又能將數(shù)值方法得到的熱環(huán)境數(shù)據(jù)精確地插值到結(jié)構(gòu)表面,實 現(xiàn)各類熱環(huán)境參數(shù)在全彈道條件下的載荷插值,插值精度高、運行效率高、適用范圍廣。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0006] 一種適用于熱防護系統(tǒng)瞬態(tài)溫度場計算的熱環(huán)境插值方法,步驟如下:
[0007] (1)根據(jù)需要進行熱環(huán)境載荷插值的飛行器表面區(qū)域和數(shù)值熱環(huán)境計算網(wǎng)格或者 是工程計算特征點,得到飛行器表面節(jié)點信息
,其中,分別為節(jié) 點X1的三維坐標(biāo),η為熱環(huán)境節(jié)點總數(shù),i = 1,2, 3,…,η ;
[0008] (2)根據(jù)進行熱環(huán)境載荷插值的飛行器表面區(qū)域的工程或數(shù)值計算方法熱環(huán) 境計算結(jié)果,得到全彈道條件下的熱環(huán)境載荷數(shù)據(jù),再根據(jù)熱環(huán)境載荷數(shù)據(jù)得到全彈道 條件下的時刻tj以及每個t 時刻需要進行插值的熱環(huán)境載荷變量.
,其中,k = 1,2, 3,…,v,j = 1,2, 3, 為全彈道條件下的總時間步數(shù),其中,V為需要進行插值的 熱環(huán)境載荷變量總數(shù);
[0009] (3)根據(jù)步驟⑴中得到的節(jié)點三維坐標(biāo)
及步驟⑵得到的熱環(huán) 境載荷變量
選取徑向基函數(shù)Φ (R),根據(jù)徑向基函數(shù)Φ (R)和
構(gòu) 造基函數(shù)系Φ (R1),其中,R1= I Ix-X1I I為點X到點X1之間的距離,X為進行熱環(huán)境載荷插 值的飛行器表面區(qū)域上的任意一點;
[0010] (4)根據(jù)步驟(3)得到的基函數(shù)Φ (R1)構(gòu)造插值函數(shù)
[0011]
[0012] 式中,R1= I |x-x 11 I為點X到點X1之間的距離;1 = 1,2, 3,代表點X三維坐標(biāo)的 三個方向。
[0013] (x)為時刻下進行熱環(huán)境載荷插值的飛行器表面區(qū)域上的任意一點處的熱 環(huán)境載荷變量
〖的插值函數(shù);
[0014] 為待定常數(shù),為待定常數(shù); 為待定常數(shù); :/· .1
[0015] Φ (R1)為進行熱環(huán)境載荷插值的飛行器表面區(qū)域上的任意一點X與X1之間的徑 向基函數(shù);
[0016] (5)采用最小二乘意義下的標(biāo)準(zhǔn)方程對插值函數(shù)' (幻進行補充,使得插值函數(shù) 能夠形成方形矩陣,所采用的最小二乘意義下的標(biāo)準(zhǔn)方程為
[0017]
[0018] 由于插值函數(shù)\ (χ?適用于進行熱環(huán)境插值的飛行器表面區(qū)域任意一點,有:當(dāng) X = X1時,\(χ1)為節(jié)點,時亥IJ的第k個熱環(huán)境載荷變量,即為O1),于是有:
[0019]
[0020] 其中,Rl1= I |x Lx11 I為點X1到點X 1之間的距離;X/1為點X1三維坐標(biāo)三個方向, 1 = 1,2, 3 ;將Φ (R11)記為Φ u,則式(1)寫為:
[0021]
[0022] (6)按照步驟(5)的方式,采用插值函數(shù)\ (x)對所有熱環(huán)境節(jié)點X1進行配點,并 將表達式展開,得:
[0023]
[0024] 將式(2)寫成矩陣形式:
[0027] 將式(3)進行矩陣轉(zhuǎn)換可得:
[0025]
[0026]
[0028]
[0029] 式⑷等式右手邊的矩陣均為已知值,因此可得到待定常數(shù)}的值,即可得到 插值函數(shù)&表達式中的待定常數(shù)<〃,4*,的值。 ' / JJJ
[0030] 將待定常數(shù)<<,<*,<*代入任意點X的插值函數(shù)(xl·即可得\時刻任意 -1 -·?· j J- j I J 點X的第k個熱環(huán)境插值變量〇
[0031] (7)針對進行熱環(huán)境載荷插值的飛行器表面區(qū)域的熱防護結(jié)構(gòu)建立熱防護系統(tǒng)有 限元溫度場分析模型,并提取有限元溫度場分析模型中施加熱環(huán)境載荷的飛行器表面區(qū)域 所有有限元節(jié)點三維坐標(biāo)
,其中,
分別為節(jié)點^^的三維 坐標(biāo),Q為有限元節(jié)點總數(shù),P = 1,2, 3,…,Qj
,令代入& (X) 表達式,即可得全彈道條件下每個有限元節(jié)點的熱環(huán)境插值變量。
[0032] 徑向基函數(shù)Φ表達式為:
[0033] 三次樣條函數(shù):Φ (R) = R3;
[0034] Gauss 分布函數(shù):Φ (R) = exp (_a2R2) ;a 為常數(shù);
[0035] Markov分布函數(shù):Φ (R) = exp (_aR)及其它分布函數(shù);a為常數(shù);
[0036] Multi-Quadric 函數(shù):Φ (R) = (c2+R2) p 及逆 Multi-Quadric 函數(shù) Φ (R)= (c2+R2) e ;c為常數(shù),β為常數(shù);
[0037] 薄板樣條函數(shù):
,其中d為空間維數(shù);k為常 數(shù);
[0038] 緊支柱正定徑向基函數(shù):
,其中
;e = 0, 1,2, 3,…,N,N為常數(shù);Cf3為常數(shù)。
[0039] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:
[0040] (1)本發(fā)明提出的熱環(huán)境載荷插值方法,通過徑向基函數(shù)實現(xiàn)無網(wǎng)格插值技術(shù),不 需要網(wǎng)格信息,可廣泛應(yīng)用于工程計算方法與數(shù)值計算方法得到的熱環(huán)境輸出數(shù)據(jù)。
[0041] (2)本發(fā)明提出的熱防護系統(tǒng)有限元熱環(huán)境加載方法,可以實現(xiàn)飛行器表面區(qū)域 每個有限元節(jié)點熱環(huán)境的精確加載,大幅提高計算精度。
[0042] (3)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)全彈道條件下多項熱環(huán)境載荷的瞬態(tài)插值。
【附圖說明】
[0043] 圖1為本發(fā)明流程圖;
[0044] 圖2為熱環(huán)境載荷插值區(qū)域及節(jié)點示意圖。
【具體實施方式】
[0045] 一種適用于熱防護系統(tǒng)瞬態(tài)溫度場計算的熱環(huán)境載荷插值方法,
[0046] (1):明確需進行熱環(huán)境載荷插值的飛行器表面區(qū)域及插值變量,如需要進行熱環(huán) 境載荷插值的表面,插值的目的是將表面的節(jié)點熱流、恢復(fù)焓以及壓力插值到有限元節(jié)點 上。首先,工程算法或數(shù)值算法計算中在插值表面所采取的節(jié)點信息如下: υ?Ν 丄 丄 λ J d/丄 υ
[0047]
[0048] 式中,Χ?,: XK分別為節(jié)點X1的三維坐標(biāo),n為熱環(huán)境節(jié)點總數(shù)。
[0049] 根據(jù)熱環(huán)境計算結(jié)果獲得全彈道條件下的熱環(huán)境載荷數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)內(nèi)容包括:
[0050]
[0051]
[0052]
[0053]
[0054]
[0055]
[0056]
[0057]
[0058]
[0059]
[0060]
[0061] 式中,tjj = 1,2, 3,…,m)為時間;m為全彈道條件下的總時間步數(shù);CijStj時刻 第i個節(jié)點的表面熱流屯〇0為時刻第i個節(jié)點的表面恢復(fù)焓;p Jx1)為時刻第i 個節(jié)點的表面壓力。
[0062] (2):對(1)中給定的節(jié)點坐標(biāo)及其在各個時刻的表面熱流、恢復(fù)焓、表 面壓力等熱環(huán)境載荷數(shù)據(jù)
,選取Gauss分布函數(shù) Φ0?) =exp(-a2R2)作為徑向基函數(shù),構(gòu)造基函數(shù)系
,并得到插值函數(shù)
[0066] 式中,R1= I Ix-X1I I為點X到點X1之間的距離;
[0067]
為待定常數(shù)。
[0068] 采用最小二乘意義下的標(biāo)準(zhǔn)方程對插值函數(shù)弋U)、(X)、S,, (X)進行補充, 使得插值函數(shù)\(x)、叉(Μ、能夠形成方形矩陣,所采用的最小二乘意義下的標(biāo) 準(zhǔn)方程為
[0072] 對于任意時刻滿足:[0073]
[0069]
[0070]
[0071]
[0074]
[0075]
[0076] 采用插值函數(shù)Mx')、、MX)、叉,(X)對所有熱環(huán)境節(jié)點X1進行配點,并將
[0078] LlN 丄Ut)丄bLHjyZ Λ Ij
[0079]
[0080] 寫成矩陣形式:
[0081]
[0082]
[0083]
[0084]
[0085]
[0086] 進行矩陣轉(zhuǎn)換可得:
[0087]
[0088]
[0089]
[0090] 上式等式右手邊的矩陣均為已知值,因此可得到待定常數(shù)
的值,即可得到插值函數(shù)^ ( x)、& (x)、A. ( x)表達式中的待定常數(shù)<.,<,^,
的值。
[0091] (3):建立熱防護系統(tǒng)有限元溫度場分析模型,并提取有限元溫度場分析模型中施 加熱環(huán)境載荷的飛行器表面區(qū)域所有有限元節(jié)點三維坐標(biāo),數(shù)據(jù)如下:
[0092]
[0093] 式中,無分別為有限元節(jié)點^的三維坐標(biāo),Q為有限元節(jié)點總數(shù)。
[0094] 令表達式,即可得全彈道條件下每個有限 元節(jié)點的熱環(huán)境插值變量。
[0095] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行進一步的詳細描述。
[0096] 在本發(fā)明利用徑向基函數(shù)構(gòu)造插值矩陣方程,實現(xiàn)加載表面熱環(huán)境節(jié)點與有限元 模型節(jié)點之間熱環(huán)境載荷插值。
[0097] 如圖1所示,本發(fā)明提供了一種適用于熱防護系統(tǒng)瞬態(tài)溫度場計算的熱環(huán)境載荷 插值方法,步驟為:
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