劉大慶，劉玉杰，耿昊

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015）

駐退機(jī)是火炮反后坐裝置的重要組成部分，駐退機(jī)流場(chǎng)的仿真計(jì)算在其設(shè)計(jì)過(guò)程中占據(jù)著重要的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法大多是基于火炮受力分析得到力學(xué)公式，采用編程語(yǔ)言求解微分方程，分析駐退機(jī)的受力情況。這種方法不能得到駐退機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)變化的情況。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的推廣應(yīng)用，通過(guò)CFD 仿真軟件對(duì)駐退機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)開(kāi)展仿真得到了廣泛應(yīng)用。CFD 仿真計(jì)算需要對(duì)駐退機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于駐退機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，駐退桿存在往復(fù)運(yùn)動(dòng)，涉及動(dòng)網(wǎng)格的處理，很多時(shí)候，為了加快計(jì)算速度對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的簡(jiǎn)化，最終的仿真結(jié)果和實(shí)際存在差別，因此本文結(jié)合ANSA 軟件對(duì)駐退機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，為更好地進(jìn)行駐退機(jī)流場(chǎng)的仿真計(jì)算做好前處理工作。

1 常用軟件對(duì)比

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(qiáng)項(xiàng)是劃分結(jié)構(gòu)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(guò)廣泛應(yīng)用，隨著FLUENT 軟件被收購(gòu)，GAMBIT 軟件一直沒(méi)有更新，還需要安裝Exceed 虛擬平臺(tái)，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(tái)。

ANSA 和HYPERWORKS 是應(yīng)用最為廣泛的前處理軟件，ANSA 的主要優(yōu)勢(shì)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(duì)于比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行特征清理及調(diào)整，無(wú)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(zhì)量調(diào)整也是比較方便。HYPERWORKS 的優(yōu)勢(shì)在于復(fù)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(dǎo)入速度比ANSA 要快。本文則采用ANSA 對(duì)駐退機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)網(wǎng)格劃分進(jìn)行探索。

2 駐退機(jī)模型建立

某型駐退機(jī)的三維模型如圖1 所示，在火炮后坐過(guò)程中，駐退桿在駐退筒中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)該駐退機(jī)存在補(bǔ)償器，駐退機(jī)內(nèi)腔通過(guò)一段彎管和補(bǔ)償器連接，在實(shí)際使用過(guò)程中，補(bǔ)償器和彎管中均存在流體，這一部分也需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分。駐退桿活塞上存在8 個(gè)均勻分布的圓孔，為流體流通的主要通道，節(jié)制桿后部設(shè)有活門，活門端面存在8 個(gè)均勻分布的流液孔，活門及節(jié)制桿內(nèi)外側(cè)流體在網(wǎng)格劃分時(shí)需要考慮動(dòng)網(wǎng)格的設(shè)置。

圖1 駐退機(jī)結(jié)構(gòu)模型

動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算最關(guān)注的是網(wǎng)格的更新方法，在CFD 軟件中，動(dòng)網(wǎng)格模型有3 種，即彈簧光滑模型、動(dòng)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(yīng)用面很廣，但這種模型對(duì)于存在往復(fù)運(yùn)動(dòng)或者移動(dòng)方向不垂直于邊界的結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格畸變過(guò)大，造成計(jì)算中斷，對(duì)網(wǎng)格劃分要求比較高。動(dòng)態(tài)層模型在計(jì)算中有著很大優(yōu)勢(shì)，但動(dòng)態(tài)層網(wǎng)格受限于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分后動(dòng)態(tài)層模型會(huì)大大加快計(jì)算速度。局部重劃模型是在彈簧光滑模型的基礎(chǔ)上進(jìn)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(fù)運(yùn)動(dòng)，需要設(shè)法將運(yùn)動(dòng)部位網(wǎng)格設(shè)置為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采取動(dòng)態(tài)層模型實(shí)現(xiàn)動(dòng)網(wǎng)格更新，加快計(jì)算速度和提高計(jì)算精度。

3 駐退機(jī)流場(chǎng)網(wǎng)格的劃分

駐退機(jī)網(wǎng)格劃分前需要對(duì)模型進(jìn)行處理，去掉外部無(wú)關(guān)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(bǔ)償器內(nèi)液體體積占用補(bǔ)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(fù)雜，在劃分前將模型分為幾部分，分別劃分網(wǎng)格，結(jié)合面處考慮到流體的實(shí)際要求，采用Interior 邊界類型，實(shí)現(xiàn)流體的流通。后文選取其中幾種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分進(jìn)行介紹。

（1）補(bǔ)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(jì)算要求，對(duì)該部分分割為3 部分，中部與管道接觸部位為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，兩側(cè)區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。其中結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)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(shè)置。

圖3 補(bǔ)償器部分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（左）與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（右）

（2）彎管部分。彎管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用結(jié)構(gòu)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(xì)，為保證網(wǎng)格質(zhì)量以及連續(xù)性，連接處采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余采用結(jié)構(gòu)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(dòng)部分。區(qū)域規(guī)則,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，活塞環(huán)部分結(jié)構(gòu)尺寸減小，為了保證四面體網(wǎng)格連續(xù)，需要細(xì)化表面網(wǎng)格。

（5）活塞環(huán)前部部分。該部分結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有8 個(gè)流液孔的存在，劃分網(wǎng)格時(shí)需要使用非結(jié)構(gòu)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(dòng)部分

圖7 活塞環(huán)前部部分

（6）節(jié)制桿內(nèi)槽（活門前）流液孔部分：該部位和活門相接，存在8 個(gè)流液孔，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，與節(jié)制桿內(nèi)腔相連的部分由于網(wǎng)格連續(xù)要求，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，如圖8 所示。

（7）節(jié)制桿前側(cè)部分：節(jié)制桿前部和駐退桿內(nèi)腔圍成的區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，內(nèi)部形狀復(fù)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(jī)中腔連接處采用規(guī)則網(wǎng)格，交界面內(nèi)側(cè)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(nèi)槽（活門前）流液孔部分

圖9 節(jié)制桿前側(cè)部分一

圖10 節(jié)制桿前側(cè)部分二

圖11 節(jié)制桿前側(cè)部分三

（8）剩余其他部分：都可以劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，選擇合適的結(jié)構(gòu)，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(jì)見(jiàn)表1。

圖12 整體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

表1 各部分網(wǎng)格情況匯總

從表1 可以看出，結(jié)構(gòu)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(duì)后續(xù)仿真計(jì)算有著很大的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)FLUENT 軟件讀取后網(wǎng)格，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，該模型網(wǎng)格最小正交質(zhì)量0.748，最大正交歪斜率0.126，最小網(wǎng)格體積0.092，且沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)體積，認(rèn)為網(wǎng)格質(zhì)量較高，可以滿足仿真計(jì)算要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)ANSA軟件對(duì)某型駐退機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，針對(duì)駐退機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)自身特點(diǎn)，盡可能多地保持流場(chǎng)原有特征，對(duì)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(méi)有進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，通過(guò)將復(fù)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(chǎng)連接起來(lái)，對(duì)內(nèi)部流動(dòng)不產(chǎn)生影響，增加結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)量，降低模型網(wǎng)格的畸變率，杜絕負(fù)體積出現(xiàn)，減小了計(jì)算機(jī)仿真工作量和計(jì)算時(shí)間，降低了計(jì)算中斷率，為含有動(dòng)網(wǎng)格的復(fù)雜模型網(wǎng)格劃分提供了參考和借鑒作用。