雷 歌，孫文福，莫小琴，孫景偉

（三亞學(xué)院 理工學(xué)院，海南 三亞 572022）

基于UDF的折疊翼展開過程仿真計算

雷 歌，孫文福，莫小琴，孫景偉

（三亞學(xué)院 理工學(xué)院，海南 三亞 572022）

文章在設(shè)計了一種水下航行器折疊翼展開機構(gòu)的基礎(chǔ)上，基于UDF方法對設(shè)計模型展開過程進行了數(shù)值仿真計算，討論了在某一扭轉(zhuǎn)展開機構(gòu)設(shè)計參數(shù)下，不同水速時折疊翼展開過程，得到在不同發(fā)射速度下折疊翼展開特性的變化規(guī)律。

折疊翼；UDF；仿真計算

水下航行器折疊翼的應(yīng)用不僅能降低發(fā)射裝置對航行器外形的限制，縮小航行器及發(fā)射裝置的徑向尺寸，節(jié)省儲運空間，同時還保證了在水下航行器巡航階段，產(chǎn)生足夠的流體動力以滿足穩(wěn)定性與機動性等要求[1]。因此，將折疊翼技術(shù)應(yīng)用于水下航行器具有重要意義。在進行折疊翼設(shè)計時，展開過程中的性能參數(shù)，如展開時間、展開角速度等是重要的參考指標(biāo)[2]。這些指標(biāo)可以方便對折疊翼機構(gòu)、發(fā)射裝置和控制系統(tǒng)進行更好地設(shè)計、修改。

1 折疊翼機構(gòu)設(shè)計與展開過程分析

折疊翼活動端從折疊位置向工作位置轉(zhuǎn)化是經(jīng)由緊固—展開—固定這一套展開機構(gòu)來完成的。運輸及裝管狀態(tài)下，折疊翼活動端由緊固機構(gòu)固定在折疊狀態(tài)，扭簧被預(yù)緊。當(dāng)需要折疊翼展開工作時，緊固機構(gòu)打開，活動端在扭簧力與水動力共同作用下，展開到位后由鎖緊機構(gòu)固定。

2 基于UDF的折疊翼展開過程仿真分析

2.1 計算方法的選擇

本文所用Fluent是目前國際上成熟的CFD軟件，其擁有大量的物理模型、完善的計算方法和其他相關(guān)軟件良好的兼容性以及卓越的前后處理功能，在軍事方面和民事方面都有廣泛應(yīng)用。Fluent經(jīng)過大量算例考核，同實驗符合較好，由于以上優(yōu)點，本文使用Fluent軟件來進行折疊翼數(shù)值仿真計算。在標(biāo)準(zhǔn)的Fluent界面添加UDF功能，可以實現(xiàn)用戶的特殊需要，UDF能夠動態(tài)地與Fluent求解器進行通訊，從而使求解器性能達到最優(yōu)。

2.2 UDF技術(shù)實現(xiàn)分部結(jié)果與Fluent之間的通訊過程

折疊翼在展開過程中受水動力的作用，還受到扭簧扭力的作用。扭簧扭力在折疊翼展開過程中提供動力，并隨著折疊翼折疊角度的變化時刻發(fā)生著變化。水對折疊翼的作用力隨折疊翼的空間位置、角速度以及角加速度的變化而變化，不同時刻受到的水的作用力也不同。

假設(shè)在當(dāng)前時間步折疊翼的空間位置、角速度以及角加速度已知，通過Fluent軟件的求解計算，獲得在當(dāng)前時間步水對折疊翼的作用力和力矩，由折疊翼受到的力和力矩求解出折疊翼的展開角加速度和角速度，并將求解得出的角速度通過UDF技術(shù)與Fluent進行通訊，修正折疊翼的空間位置、角速度。如此反復(fù)迭代，只要所取的時間步足夠小，就可以認為折疊翼的空間位置、角速度以及角加速的改變與所受力矩的變化是同時發(fā)生的，從而使得折疊翼整個展開過程連續(xù)、動態(tài)地仿真出折疊翼的整個打開過程。

3 仿真計算與結(jié)果分析

3.1 模型建立與網(wǎng)格的劃分

水下航行器折疊翼展開過程是一個高速轉(zhuǎn)動過程，由于航行器機體本身對折疊翼所受水動力的影響較小，這里選取計算模型為折疊翼活動端和轉(zhuǎn)動軸。計算域分為固定和滑動兩部分，距離折疊翼較近的區(qū)域隨折疊翼一起運動，為滑動區(qū)域，距離折疊翼較遠的區(qū)域為固定區(qū)域，兩部分的交界面為滑移面。

3.2 邊界條件及求解器設(shè)置

基于壓力耦合求解器進行計算，空間離散方法為有限體積法（FVM），采用二階迎風(fēng)格式對控制方程進行離散，數(shù)值求解器參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 折疊翼數(shù)值求解模型參數(shù)設(shè)置

求解器的時間步長Δt取10-5s，采用SIMPLE算法在每個時間步上求解方程。在每一個時間步內(nèi)計算收斂后，時間步向前推進，計算模型網(wǎng)格自動更新，進行下一個時間步的計算。經(jīng)過一定步數(shù)的計算，就可獲得折疊翼展開角，展開角速度等隨時間變化曲線。

3.3 計算結(jié)果與分析

仿真計算過程中，取扭簧參數(shù)Ma=2（Tmin+kTa）=2+0.121a，保持水下航行器折疊翼攻角為5°，折疊翼初始折疊角為90°條件下，計算折疊翼在靜水中、8m/s，12m/s水速下的展開過程分別如圖1—3所示。

圖1 靜水中展開角度、角速度變化曲線

圖2 8m/s水速下角度、角速度變化曲線

圖3 12m/s水速下角度、角速度變化曲線

由以上各圖可以得出如下結(jié)論：（1）折疊翼在不同水速下的展開過程曲線趨勢是一致的。在折疊翼展開過程中，角速度逐漸增大，到達一定程度后，又逐漸減小，直到完全展開。（2）折疊翼展開時間隨著水速的增大變得更長，展開過程中最大角速度以及完全展開時的角速度也較低水速時的角速度小，并且水速越大，折疊翼達到最大角速度的時間越慢。

4 結(jié)語

本文基于UDF方法對設(shè)計模型展開過程進行了數(shù)值仿真計算，討論了在某一扭轉(zhuǎn)展開機構(gòu)設(shè)計參數(shù)下，不同發(fā)射速度下折疊翼展開特性的變化規(guī)律。本文的研究結(jié)果對航行器折疊翼展開過程提供了一種新的仿真方法，為進一步優(yōu)化和改進水下航行器折疊翼的設(shè)計方案提供了參考，具有重要的指導(dǎo)意義。

[1]冀功祥，喻國兆.水下航行器鰭折疊機構(gòu)設(shè)計[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護，2010（2）：25-26.

[2]徐德民.魚雷技術(shù)論文集[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

Deployment simulation of a folding wing based on UDF

Lei Ge, Sun Wenfu, Mo Xiaoqin, Sun Jingwei
（Science and Technology College of Sanya University, Sanya 572022, China）

Based on the UDF method and a kind of structure of an underwater vehicle folding wing, numerical simulation calculation was carried out on the deployment process of the model in this paper, and discussed the unfolding process at different water velocities under the design parameters of a torsional expansion mechanism, getting the change law of the unfolding characteristic at different launch speeds.

folding wings; UDF; simulation calculation

雷歌（1987— ），女，陜西三原，碩士，助教；研究方向：機械設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能。