基于CFD仿真的细长体载荷分布规律研究

基于CFD仿真的细长体载荷分布规律研究

刘,伟

江南机电设计研究所

摘要：随着武器系统轻小型化与高机动性要求的提升，使得导弹弹体载荷环境越来越恶劣，对导弹载荷环境计算也要求越来越精确。对细长轴对称导弹研制为了节省费用与时间，传统采用基于部件气动力风洞试验数据加上部件载荷分布形函数的方式得到分布气动力。这种方法的计算精度高度依赖于形函数的准确性。本文采用CFD计算方法对不同细长体不同状态下弹身轴向载荷分布规律进行研究后，得出了导弹纵向载荷可以采用函数拟合的结论，相比传统形函数精度更高，可提升飞行器研制时设计结果准确性。

关键词：轴对称  形函数  载荷  分布气动力

1引言

随着武器系统轻小型化与高机动性要求的提升，使得导弹弹体载荷环境越来越恶劣，对导弹载荷环境计算也要求越来越精确。传统获取飞行器气动载荷的方法一般通过风洞试验获取表面压力分布而计算得到，而大长细比防空导弹由于飞行速域与攻角范围大，试验成本高，一般采用基于部件气动力风洞试验数据加上部件载荷分布形函数的方式得到分布气动力，但是影响其精度的关键在于气动力分布规律函数，以往是根据经验与标准件的测压数据总结了相应气动部件的气动力分布规律，如头部采用三角形分布、弹身采用矩形分布、舵翼干扰区采用梯形分布等，这些方法在设计余量足够的情况下可以满足弹体载荷计算要求，但是对弹性振动计算、结构强度余量小等情况时有些粗糙，因此需要发展新的方法来提升精度。

近年来随着CFD技术的发展，采用CFD仿真方法直接获取飞行器气动载荷得到应用，但存在耗时长，且计算结果偏离风洞试验结果的问题。对飞行气动载荷计算精度与效率问题，校金友、张铎[1]研究了基于P-N-K工程计算的导弹气动载荷计算方法。蒋鲁佳、辛万青[2]基于datcom软件研究了气动分布载荷计算方法。韩鹏、刘晓晨[3]等采用网格向量法研究了采用风洞试验获取舱门载荷向量的方法。王世安、尹贵鲁[4]等采用CFD方法研究了飞行器气动载荷计算方法。范国芳、李强[5]等采用CFD方法研究了折叠舵面展开过程气动载荷。以上研究都是建立在理论计算、数值模拟以及风洞试验测压的基础上，并且都是以飞机的主要部件载荷（如机翼、尾翼）为研究重点。本文研究的是基于CFD计算总结得到的气动分布力形函数，采用风洞试验部件测力结果确定各状态下形函数系数，从而得到导弹弹身气动分布力结果。这种方法兼顾了风洞试验数据的准确性与CFD计算结果信息全面性，可以快速完成导弹弹身载荷的计算，特别适合于弹体弹性振动实时仿真计算。

2 研究方法

2.1 流场控制方程

对于三维定常可压缩流动，流场控制方程为[2]：

质量方程：；

动量方程：；

；

；

能量方程：；

k——热导率；

——单位质量的体积加热率；

理想气体状态方程：；

有限体积法适用的通用形式：。

2.2 模型及网格划分

本文采用的研究对象为光杆细长旋成体弹身，弹身长细比为16.7，尖拱形头部、头部长细比为3.0。计算三维模型如图1所示为，本文网格划分采用的是六面体结构化网格，六面体网格线正交性较好，有利于增加计算的稳定性和减小计算误差。在导弹外壁区域进行了网格加密处理使之能更好的捕捉壁面分离流动等流场细节。三维模型与网格划分图如图1、图2所示：

图1 尖锥型旋成体三维模型                    图2 局部网格

3计算结果分析

本文采用CFD计算可以得到了细长体导弹弹身压力分布，为了得到导弹沿轴向的分布载荷，将弹体压力分布沿弹身周向进行积分可以得到弹身气动载荷沿轴向的分布曲线。如图3～图4所示为导弹不同攻角与不同马赫数情况下弹体载荷线密度曲线，从图中可以看出，弹体气动力分布具有较强的规律性，小攻角时主要载荷分布于头部，随着攻角增大弹身载荷增大，这与理论预示情况一致。

图1 攻角2°弹体线载荷沿轴向分布      图2  Ma=3弹体线载荷沿轴向分布

为了采用风洞试验部件集中力结果得到导弹分布载荷还需要确定分布函数，还需将图3、图4中的曲线拟合成函数。从图中可以看出导弹弹身气动力分布在不同马赫数与攻角情况，都具有相似性，呈抛物线加平直段的分布形式，因此可以合理的将导弹气动力分布规律假设为一段抛物线与一段矩形分布形式，对于具体的马赫数与攻角情况时利用风洞试验测量得到的总合力（曲线积分）与压心位置（型心）以及起始点位置就可确定方程系数，从而得到弹身气动力分布曲线。

4 结论

   本文通过建立导弹弯曲后的三维模型，并采用CFD计算方法计算了导弹在不同状态下的气动力，利用其结果处理得到了弹上站点法向力信息，分析了其变化规律，导弹气动力分布规律可以采用两段抛物线加弹身矩形分布，可用于导弹载荷计算。

参考文献

[1] 校金友,张铎,导弹气动特性与载荷计算[J],弹箭与制导学报,2004,24:2

[2] 蒋鲁佳,辛万青,导弹超声速飞行横向气动载荷估算系统[J],导弹与航天运载技术，2010,5

[3] 韩鹏,刘晓晨,胡赞远,闫中午,一种用于获得飞机部件气动载荷的网格向量法[J],空气动力学报，2018,36:4

[4]王世安,尹贵鲁,基于数值模拟的气动载荷计算方法研究[J],空气动力学报,2004,22:2

[5]范国芳,李强,操小龙,罗金玲,折叠翼面展开过程中气动载荷特性数值模拟[J],气体物理,2017,2:6