本發(fā)明屬于飛行器氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種參數(shù)化氣動(dòng)外形數(shù)模及結(jié)構(gòu)網(wǎng)格自動(dòng)生成方法。

背景技術(shù)：

在飛行器氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)的迭代過(guò)程中，需不斷調(diào)整外形尺寸并對(duì)調(diào)整后的外形進(jìn)行氣動(dòng)特性評(píng)估。工程實(shí)際中的三維復(fù)雜飛行器氣動(dòng)外形數(shù)模生成與修改工作往往由設(shè)計(jì)人員使用現(xiàn)有CAD軟件(CATIA、ProE、UG等)手動(dòng)繪制或修改來(lái)完成，而計(jì)算網(wǎng)格的合理設(shè)計(jì)和高質(zhì)量生成是采用CFD進(jìn)行氣動(dòng)特性計(jì)算的前提條件，氣動(dòng)設(shè)計(jì)人員一般采用Gridgen、ICEM等前處理軟件完成這項(xiàng)工作，在現(xiàn)階段，網(wǎng)格生成仍占整個(gè)CFD計(jì)算任務(wù)全部人力時(shí)間的60％～80％。在飛行器氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)的迭代過(guò)程中，這兩項(xiàng)工作是耗時(shí)且枯燥無(wú)味的。

在學(xué)術(shù)研究中，對(duì)于氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法研究早已展開，其研究重點(diǎn)集中在優(yōu)化方法的選取與改進(jìn)上，研究的外形仍以二維為主，僅需給出輪廓線條上的控制點(diǎn)即能描述相應(yīng)外形，因此其網(wǎng)格的自動(dòng)生成也極為簡(jiǎn)單；而具有三維參數(shù)化復(fù)雜外形自動(dòng)生成能力的限于復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成過(guò)程無(wú)法自動(dòng)化而采用面元法等簡(jiǎn)化方法進(jìn)行氣動(dòng)特性評(píng)估，精度低于CFD，無(wú)法應(yīng)用到工程實(shí)際中對(duì)氣動(dòng)外形的詳細(xì)改進(jìn)設(shè)計(jì)中。因此，需要提供一個(gè)能應(yīng)用于工程實(shí)際中的參數(shù)化氣動(dòng)外形數(shù)模自動(dòng)生成方法，以及針對(duì)生成的參數(shù)化數(shù)模自動(dòng)生成CFD結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的方法，以提高飛行器氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一套用于飛行器氣動(dòng)布局優(yōu)化過(guò)程中三維外形數(shù)模與CFD計(jì)算用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格自動(dòng)生成的方法，通過(guò)腳本驅(qū)動(dòng)的模式完成外形數(shù)模與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的自動(dòng)生成，將設(shè)計(jì)人員從繁重的外形修改與網(wǎng)格生成工作中解放出來(lái)，以提高設(shè)計(jì)效率、減少重復(fù)性人力勞動(dòng)，縮短氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)周期。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：

一種參數(shù)化氣動(dòng)外形數(shù)模及結(jié)構(gòu)網(wǎng)格自動(dòng)生成方法，包括如下步驟：

步驟一、獲取需優(yōu)化飛行器的理論外形描述，定義外形參數(shù)；

步驟二、編寫外形生成程序；

步驟三、采用腳本記錄的方法記錄對(duì)軟件的操作，在后續(xù)重復(fù)性的工作中僅運(yùn)行腳本即可完成網(wǎng)格生成工作，采用與宏錄制時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一致，包括數(shù)模中點(diǎn)、線、面的順序的數(shù)模文件；在網(wǎng)格生成軟件中開啟宏錄制模式，導(dǎo)入數(shù)模文件，根據(jù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格繪制流程結(jié)合數(shù)模生成網(wǎng)格控制線并布點(diǎn)，進(jìn)而生成二維網(wǎng)格面以及三維網(wǎng)格塊，設(shè)置邊界條件后保存網(wǎng)格文件與邊界條件文件，關(guān)閉宏錄制模式，用于CFD計(jì)算的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格自動(dòng)生成工作完成；

步驟四、將外形自動(dòng)生成與網(wǎng)格自動(dòng)生成程序進(jìn)行集成，通過(guò)操作系統(tǒng)的腳本實(shí)現(xiàn)。

所述的步驟一：飛行器對(duì)稱面由4個(gè)角度參數(shù)控制，轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置確定，飛行器寬度確定，上表面橫界面型線為橢圓，下表面為平面，則飛行器外形即確定，將4個(gè)角度參數(shù)寫入文件作為輸入文件。

所述的步驟二采用VB或Python語(yǔ)言編寫外形生成程序。

所述的步驟二：對(duì)于三維飛行器氣動(dòng)外形的計(jì)算與生成按如下步驟進(jìn)行：

第一步，讀取定義外形的輸入文件，獲得各外形參數(shù)的數(shù)值；

第二步，獲取建模軟件提供給操作系統(tǒng)的COM接口以獲得各種繪圖函數(shù)， 依次通過(guò)添加新文檔、獲取part對(duì)象、獲取線框曲面對(duì)象以添加幾何圖形集，最終獲得混合元素構(gòu)造器而獲得生成點(diǎn)、線、面的函數(shù)方法，該步操作完成；

第三步，將飛行器沿軸向分為n個(gè)截面，在飛行器外形變化梯度大的位置適當(dāng)加密截面；將每個(gè)截面上的上下表面型線用k個(gè)離散點(diǎn)來(lái)描述，在型線曲率大的地方適當(dāng)加密離散點(diǎn)；根據(jù)飛行器的理論外形及控制參數(shù)，計(jì)算出各離散點(diǎn)的空間坐標(biāo)，離散點(diǎn)的選取考慮后續(xù)外形變化的影響，使外形變化后曲率大的地方仍有較密的控制點(diǎn)；

第四步，調(diào)用繪圖函數(shù)繪制第三步所計(jì)算出的點(diǎn)，將相同截面的點(diǎn)連接為樣條線，即生成了各個(gè)截面的控制型線，將這些線通過(guò)多截面曲面操作放樣成為上下壁面，則飛行器氣動(dòng)外形生成；

第五步，保存數(shù)模文件，將數(shù)模保存為stp或igs格式文件。

上述的步驟在如下環(huán)境進(jìn)行：三維建模軟件包括CATIA、UG；網(wǎng)格生成軟件包括Gridgen、Pointwise、ICEM；編程環(huán)境包括Python及pythonwin包或Visual Basic開發(fā)環(huán)境。

所述的步驟三具體步驟如下：

第一步，打開網(wǎng)格生成軟件開啟宏錄制模式，導(dǎo)入數(shù)模文件；

第二步，在數(shù)模上生成控制線，并在控制線上布點(diǎn)，根據(jù)生成的控制線生成二維網(wǎng)格面，投影到壁面獲得壁面網(wǎng)格；

第三步，生成空間的網(wǎng)格線并布點(diǎn)，生成外場(chǎng)網(wǎng)格面及輔助網(wǎng)格面，搭好結(jié)構(gòu)網(wǎng)格拓?fù)洌?/p>

第四步，依據(jù)生成的壁面網(wǎng)格面、外場(chǎng)網(wǎng)格面及輔助網(wǎng)格面生成網(wǎng)格塊；

第五步，設(shè)置邊界條件，保存網(wǎng)格文件與邊界條件文件，關(guān)閉宏錄制模式，得到腳本文件。

所述的步驟四：將生成外形及網(wǎng)格的程序通過(guò)命令行寫入系統(tǒng)腳本，運(yùn)行系統(tǒng)腳本文件即可生成外形數(shù)模與網(wǎng)格文件，后續(xù)調(diào)整外形時(shí)僅需修改外形控制參數(shù)文件中的數(shù)值并運(yùn)行程序即可生成改進(jìn)外形的數(shù)模與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

本發(fā)明所取得的有益效果為：

飛行器氣動(dòng)外形可由控制外形的如長(zhǎng)度、曲率半徑、角度等外形參數(shù)描述，對(duì)于參數(shù)化氣動(dòng)外形數(shù)模的自動(dòng)生成，本發(fā)明通過(guò)編寫腳本程序(Python、VB等語(yǔ)言)讀取定義外形的各個(gè)參數(shù)計(jì)算出理論外形，并獲得三維建模軟件(CATIA、UG等)提供給Windows系統(tǒng)的COM接口，進(jìn)而獲取生成各種外形的函數(shù)，調(diào)用上述函數(shù)生成數(shù)模并保存。對(duì)于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的生成，通過(guò)錄制、編輯網(wǎng)格生成軟件(Gridgen、Pointwise等)的腳本讀入?yún)?shù)化數(shù)模，生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并輸出網(wǎng)格文件。對(duì)于外形的修改，僅需調(diào)整輸入文件中的描述外形的參數(shù)，采用該方法即可立即生成外形調(diào)整后的數(shù)模與相應(yīng)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。在程序編寫完成后，修改外形并生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的時(shí)間以秒計(jì)，設(shè)計(jì)人員僅需修改輸入文件中的外形參數(shù)即可修改外形并生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，提高了設(shè)計(jì)效率，節(jié)省了大量人力，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)整個(gè)氣動(dòng)布局優(yōu)化流程自動(dòng)化并采用現(xiàn)代數(shù)值優(yōu)化算法對(duì)飛行器氣動(dòng)外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)鋪平了道路。

附圖說(shuō)明

圖1為飛行器對(duì)稱面參數(shù)描述；

圖2為參數(shù)化氣動(dòng)外形數(shù)模自動(dòng)生成程序流程圖；

圖3為自動(dòng)生成的外形(b1為10度，b2為0度，a1、a2均為0度)；

圖4為自動(dòng)生成的外形(b1為15度，b2為5度，a1、a2均為0度)；

圖5為參數(shù)化氣動(dòng)外形CFD計(jì)算用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格自動(dòng)生成流程圖；

圖6為自動(dòng)生成的網(wǎng)格(b1為10度，b2為0度，a1、a2均為0度)；

圖7為自動(dòng)生成的網(wǎng)格(b1為15度，b2為5度，a1、a2均為0度)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1—7所示，本發(fā)明所述參數(shù)化氣動(dòng)外形數(shù)模及結(jié)構(gòu)網(wǎng)格自動(dòng)生成方法包括如下步驟：

步驟一、獲取需優(yōu)化飛行器的理論外形描述，定義外形參數(shù)。飛行器對(duì)稱面由圖1所示的4個(gè)角度參數(shù)控制，轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置確定，飛行器寬度確定，上表面橫界面型線為橢圓，下表面為平面，則飛行器外形即確定，將4個(gè)角度參數(shù)寫入文件作為輸入文件。

步驟二、按圖2所示的步驟采用VB或Python語(yǔ)言編寫外形生成程序，對(duì)于三維飛行器氣動(dòng)外形的計(jì)算與生成可按如下步驟進(jìn)行：

預(yù)安裝軟件：三維建模軟件，如CATIA、UG等；網(wǎng)格生成軟件Gridgen、Pointwise、ICEM等；編程環(huán)境，Python及pythonwin包或Visual Basic開發(fā)環(huán)境。

第一步，讀取定義外形的輸入文件，獲得各外形參數(shù)的數(shù)值；

第二步，獲取建模軟件(如CATIA)提供給操作系統(tǒng)的COM接口以獲得各種繪圖函數(shù)，而后依次通過(guò)添加新文檔、獲取part對(duì)象、獲取線框曲面對(duì)象以添加幾何圖形集，最終獲得混合元素構(gòu)造器而獲得生成點(diǎn)、線、面的函數(shù)方法，則該步操作完成。

第三步，將飛行器沿軸向分為n個(gè)截面，在飛行器外形變化梯度大的位置應(yīng)適當(dāng)加密截面；將每個(gè)截面上的上下表面型線用k個(gè)離散點(diǎn)來(lái)描述，在型線曲率大的地方應(yīng)適當(dāng)加密離散點(diǎn)。根據(jù)飛行器的理論外形及控制參數(shù)，計(jì)算出各離散點(diǎn)的空間坐標(biāo)，其算法偽代碼如下：

離散點(diǎn)的選取應(yīng)考慮后續(xù)外形變化的影響，使外形變化后曲率大的地方仍有較密的控制點(diǎn)。

第四步，調(diào)用繪圖函數(shù)繪制第三步所計(jì)算出的點(diǎn)，將相同截面的點(diǎn)連接為樣條線，即生成了各個(gè)截面的控制型線，將這些線通過(guò)“多截面曲面”操作放樣成為上下壁面，則飛行器氣動(dòng)外形生成，該步算法的偽代碼如下：

第五步，保存數(shù)模文件，一般可將數(shù)模保存為stp或igs格式文件。

經(jīng)過(guò)以上步驟，外形自動(dòng)生成工作完成，圖3、圖4為不同外形參數(shù)生成的 氣動(dòng)外形。

對(duì)于較復(fù)雜的飛行器外形，可采用分段生成的方式進(jìn)行外形生成工作，即按照上述步驟分別生成飛行器不同段的氣動(dòng)外形，最終得到整個(gè)飛行器的氣動(dòng)外形。

步驟三、網(wǎng)格生成軟件如Gridgen/Pointwise、ICEM等均具有宏(腳本)錄制功能，即采用腳本記錄的方法記錄對(duì)軟件的操作，從而在后續(xù)重復(fù)性的工作中僅運(yùn)行腳本即可完成網(wǎng)格生成工作，該項(xiàng)工作的前提是采用與宏錄制時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一致(包括數(shù)模中點(diǎn)、線、面的順序)的數(shù)模文件，因此該條件已在步驟2中已經(jīng)得到保證。

在網(wǎng)格生成軟件中開啟宏錄制模式，導(dǎo)入數(shù)模文件，根據(jù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格繪制流程結(jié)合數(shù)模生成網(wǎng)格控制線并布點(diǎn)，進(jìn)而生成二維網(wǎng)格面以及三維網(wǎng)格塊，設(shè)置邊界條件后保存網(wǎng)格文件與邊界條件文件，關(guān)閉宏錄制模式，則用于CFD計(jì)算的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格自動(dòng)生成工作完成，其流程圖見(jiàn)圖5，具體步驟如下：

第一步，打開網(wǎng)格生成軟件開啟宏錄制模式，導(dǎo)入數(shù)模文件。

第二步，在數(shù)模上生成控制線，并在控制線上布點(diǎn)，根據(jù)生成的控制線生成二維網(wǎng)格面，投影到壁面獲得壁面網(wǎng)格。

第三步，生成空間的網(wǎng)格線并布點(diǎn)，生成外場(chǎng)網(wǎng)格面及輔助網(wǎng)格面，搭好結(jié)構(gòu)網(wǎng)格拓?fù)洹?/p>

第四步，依據(jù)生成的壁面網(wǎng)格面、外場(chǎng)網(wǎng)格面及輔助網(wǎng)格面生成網(wǎng)格塊。

第五步，設(shè)置邊界條件，保存網(wǎng)格文件與邊界條件文件，關(guān)閉宏錄制模式，得到腳本文件。

步驟四、將外形自動(dòng)生成與網(wǎng)格自動(dòng)生成程序進(jìn)行集成，可通過(guò)操作系統(tǒng)的腳本實(shí)現(xiàn)。將生成外形及網(wǎng)格的程序通過(guò)命令行寫入系統(tǒng)腳本(如Windows 系統(tǒng)的bat文件)，運(yùn)行系統(tǒng)腳本文件即可生成外形數(shù)模與網(wǎng)格文件，后續(xù)調(diào)整外形時(shí)僅需修改外形控制參數(shù)文件中的數(shù)值并運(yùn)行程序即可生成改進(jìn)外形的數(shù)模與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。圖6、圖7分別為不同外形對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。