劉大慶,劉玉杰,耿昊
(中國船舶重工集團公司第七一三研究所,河南 鄭州 450015)
駐退機是火炮反后坐裝置的重要組成部分,駐退機流場的仿真計算在其設計過程中占據(jù)著重要的環(huán)節(jié),傳統(tǒng)設計方法大多是基于火炮受力分析得到力學公式,采用編程語言求解微分方程,分析駐退機的受力情況。這種方法不能得到駐退機內部流場變化的情況。隨著計算機仿真技術的推廣應用,通過CFD 仿真軟件對駐退機內部流場開展仿真得到了廣泛應用。CFD 仿真計算需要對駐退機內部流場進行網(wǎng)格劃分,由于駐退機內部結構復雜,駐退桿存在往復運動,涉及動網(wǎng)格的處理,很多時候,為了加快計算速度對內部結構進行了大量的簡化,最終的仿真結果和實際存在差別,因此本文結合ANSA 軟件對駐退機內部流場進行了網(wǎng)格劃分,為更好地進行駐退機流場的仿真計算做好前處理工作。
前處理常用的網(wǎng)格劃分軟件有:CFX、ICEM-CFD、TGRID、GAMBIT、HYPERWORKS、ANSA 等,其中前三者現(xiàn)在集成在ANSYS 之中,成為ANSYS 軟件的一員,和ANSYS 公司的其他軟件有著便捷的接口,其強項是劃分結構網(wǎng)格,主要作為ANSYS 前處理使用。GAMBIT 是歷史悠久的網(wǎng)格劃分工具,曾經(jīng)作為FLUENT 的前處理軟件得到過廣泛應用,隨著FLUENT 軟件被收購,GAMBIT 軟件一直沒有更新,還需要安裝Exceed 虛擬平臺,該軟件的界面操作比較煩瑣,在前處理方法中逐漸退出舞臺。
ANSA 和HYPERWORKS 是應用最為廣泛的前處理軟件,ANSA 的主要優(yōu)勢在于提供了按特征選取的能力,采用菜單操作模式效率比較高,對于比較復雜的結構可以進行特征清理及調整,無須冗余的手工操作,幾何與網(wǎng)格分離操作,其網(wǎng)格生成速度比HYPERWORKS 要快,單元質量調整也是比較方便。HYPERWORKS 的優(yōu)勢在于復雜模型抽取中面,六面體網(wǎng)格劃分功能比較完善,CAD 模型導入速度比ANSA 要快。本文則采用ANSA 對駐退機內部流場網(wǎng)格劃分進行探索。
某型駐退機的三維模型如圖1 所示,在火炮后坐過程中,駐退桿在駐退筒中往復運動,同時該駐退機存在補償器,駐退機內腔通過一段彎管和補償器連接,在實際使用過程中,補償器和彎管中均存在流體,這一部分也需要進行網(wǎng)格劃分。駐退桿活塞上存在8 個均勻分布的圓孔,為流體流通的主要通道,節(jié)制桿后部設有活門,活門端面存在8 個均勻分布的流液孔,活門及節(jié)制桿內外側流體在網(wǎng)格劃分時需要考慮動網(wǎng)格的設置。
圖1 駐退機結構模型
動網(wǎng)格計算最關注的是網(wǎng)格的更新方法,在CFD 軟件中,動網(wǎng)格模型有3 種,即彈簧光滑模型、動態(tài)層模型和局部網(wǎng)格重劃模型。彈簧光滑模型理論上應用面很廣,但這種模型對于存在往復運動或者移動方向不垂直于邊界的結構,會導致網(wǎng)格畸變過大,造成計算中斷,對網(wǎng)格劃分要求比較高。動態(tài)層模型在計算中有著很大優(yōu)勢,但動態(tài)層網(wǎng)格受限于結構化網(wǎng)格,實現(xiàn)結構化網(wǎng)格劃分后動態(tài)層模型會大大加快計算速度。局部重劃模型是在彈簧光滑模型的基礎上進行了修正,適用于網(wǎng)格畸變不大的地方。本例中存在著大幅度的往復運動,需要設法將運動部位網(wǎng)格設置為結構化網(wǎng)格,采取動態(tài)層模型實現(xiàn)動網(wǎng)格更新,加快計算速度和提高計算精度。
駐退機網(wǎng)格劃分前需要對模型進行處理,去掉外部無關面,保留與流體的接觸面,刪除重合曲面,修正曲面方向,其中補償器內液體體積占用補償器一半空間,處理后的模型如圖2 所示。
圖2 ANSA 處理后流體模型
由于模型復雜,在劃分前將模型分為幾部分,分別劃分網(wǎng)格,結合面處考慮到流體的實際要求,采用Interior 邊界類型,實現(xiàn)流體的流通。后文選取其中幾種復雜結構的網(wǎng)格劃分進行介紹。
(1)補償器部分。如圖3 所示,采用混合網(wǎng)格,由于管道外壁的存在,為保證網(wǎng)格符合計算要求,對該部分分割為3 部分,中部與管道接觸部位為非結構化網(wǎng)格,兩側區(qū)域采用結構化網(wǎng)格。其中結構化網(wǎng)格和非結構化網(wǎng)格之間面網(wǎng)格相同,后文中所有交界處都需要這樣設置。
圖3 補償器部分結構化網(wǎng)格(左)與非結構化網(wǎng)格(右)
(2)彎管部分。彎管結構簡單,采用結構化網(wǎng)格減少網(wǎng)格數(shù)量,如圖4 所示。
(3)駐退桿后部連接管道部分。該區(qū)域形狀規(guī)則,由于連接所彎管網(wǎng)格劃分很細,為保證網(wǎng)格質量以及連續(xù)性,連接處采用非結構化網(wǎng)格,其余采用結構化網(wǎng)格,劃分后的圖形如圖5 所示。
圖4 彎管部分
圖5 駐退桿后部連接管道處部分
(4)活塞移動部分。區(qū)域規(guī)則,采用結構化網(wǎng)格,活塞環(huán)部分結構尺寸減小,為了保證四面體網(wǎng)格連續(xù),需要細化表面網(wǎng)格。
(5)活塞環(huán)前部部分。該部分結構比較復雜,有8 個流液孔的存在,劃分網(wǎng)格時需要使用非結構化網(wǎng)格。由于需要和活塞部分連接,交界面處采用金字塔形網(wǎng)格,劃分后圖形如7 所示。
圖6 活塞移動部分
圖7 活塞環(huán)前部部分
(6)節(jié)制桿內槽(活門前)流液孔部分:該部位和活門相接,存在8 個流液孔,采用非結構化網(wǎng)格,與節(jié)制桿內腔相連的部分由于網(wǎng)格連續(xù)要求,采用結構化網(wǎng)格劃分,如圖8 所示。
(7)節(jié)制桿前側部分:節(jié)制桿前部和駐退桿內腔圍成的區(qū)域結構復雜,采用非結構化網(wǎng)格,內部形狀復雜面采用三角形網(wǎng)格,整體區(qū)域使用四面體網(wǎng)格。與駐退機中腔連接處采用規(guī)則網(wǎng)格,交界面內側體網(wǎng)格采用金字塔形網(wǎng)格劃分。具體劃分如圖9 ~11 所示。
圖8 節(jié)制桿內槽(活門前)流液孔部分
圖9 節(jié)制桿前側部分一
圖10 節(jié)制桿前側部分二
圖11 節(jié)制桿前側部分三
(8)剩余其他部分:都可以劃分結構化網(wǎng)格,選擇合適的結構,完成網(wǎng)格劃分,最終將整體模型完成網(wǎng)格劃分。所有模型劃分完畢之后圖形如圖12 所示。各部分網(wǎng)格統(tǒng)計見表1。
圖12 整體結構網(wǎng)格
表1 各部分網(wǎng)格情況匯總
從表1 可以看出,結構化網(wǎng)格(六面體)占比0.38%,占總體網(wǎng)格數(shù)量比例比較高,這種形式對后續(xù)仿真計算有著很大的優(yōu)勢,通過FLUENT 軟件讀取后網(wǎng)格,檢查網(wǎng)格質量,該模型網(wǎng)格最小正交質量0.748,最大正交歪斜率0.126,最小網(wǎng)格體積0.092,且沒有出現(xiàn)負體積,認為網(wǎng)格質量較高,可以滿足仿真計算要求。
本文通過ANSA軟件對某型駐退機流場進行了網(wǎng)格劃分,針對駐退機內部流場自身特點,盡可能多地保持流場原有特征,對活塞變截面,彎管曲折連接,狹窄流液孔,節(jié)制桿異型活門等零部件均沒有進行簡化處理,通過將復雜模型分為幾部分劃分,并選取合適的交界面,將分割后的流場連接起來,對內部流動不產生影響,增加結構化網(wǎng)格數(shù)量,降低模型網(wǎng)格的畸變率,杜絕負體積出現(xiàn),減小了計算機仿真工作量和計算時間,降低了計算中斷率,為含有動網(wǎng)格的復雜模型網(wǎng)格劃分提供了參考和借鑒作用。