一种参数化气动外形数模及结构网格自动生成方法与流程

本发明属于飞行器气动外形优化设计技术领域，具体涉及一种参数化气动外形数模及结构网格自动生成方法。

背景技术：

在飞行器气动外形优化设计的迭代过程中，需不断调整外形尺寸并对调整后的外形进行气动特性评估。工程实际中的三维复杂飞行器气动外形数模生成与修改工作往往由设计人员使用现有CAD软件(CATIA、ProE、UG等)手动绘制或修改来完成，而计算网格的合理设计和高质量生成是采用CFD进行气动特性计算的前提条件，气动设计人员一般采用Gridgen、ICEM等前处理软件完成这项工作，在现阶段，网格生成仍占整个CFD计算任务全部人力时间的60％～80％。在飞行器气动外形优化设计的迭代过程中，这两项工作是耗时且枯燥无味的。

在学术研究中，对于气动外形优化设计的方法研究早已展开，其研究重点集中在优化方法的选取与改进上，研究的外形仍以二维为主，仅需给出轮廓线条上的控制点即能描述相应外形，因此其网格的自动生成也极为简单；而具有三维参数化复杂外形自动生成能力的限于复杂拓扑结构网格生成过程无法自动化而采用面元法等简化方法进行气动特性评估，精度低于CFD，无法应用到工程实际中对气动外形的详细改进设计中。因此，需要提供一个能应用于工程实际中的参数化气动外形数模自动生成方法，以及针对生成的参数化数模自动生成CFD结构网格的方法，以提高飞行器气动优化设计的效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一套用于飞行器气动布局优化过程中三维外形数模与CFD计算用结构网格自动生成的方法，通过脚本驱动的模式完成外形数模与结构网格的自动生成，将设计人员从繁重的外形修改与网格生成工作中解放出来，以提高设计效率、减少重复性人力劳动，缩短气动外形设计周期。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种参数化气动外形数模及结构网格自动生成方法，包括如下步骤：

步骤一、获取需优化飞行器的理论外形描述，定义外形参数；

步骤二、编写外形生成程序；

步骤三、采用脚本记录的方法记录对软件的操作，在后续重复性的工作中仅运行脚本即可完成网格生成工作，采用与宏录制时拓扑结构一致，包括数模中点、线、面的顺序的数模文件；在网格生成软件中开启宏录制模式，导入数模文件，根据结构网格绘制流程结合数模生成网格控制线并布点，进而生成二维网格面以及三维网格块，设置边界条件后保存网格文件与边界条件文件，关闭宏录制模式，用于CFD计算的结构网格自动生成工作完成；

步骤四、将外形自动生成与网格自动生成程序进行集成，通过操作系统的脚本实现。

所述的步骤一：飞行器对称面由4个角度参数控制，转折点位置确定，飞行器宽度确定，上表面横界面型线为椭圆，下表面为平面，则飞行器外形即确定，将4个角度参数写入文件作为输入文件。

所述的步骤二采用VB或Python语言编写外形生成程序。

所述的步骤二：对于三维飞行器气动外形的计算与生成按如下步骤进行：

第一步，读取定义外形的输入文件，获得各外形参数的数值；

第二步，获取建模软件提供给操作系统的COM接口以获得各种绘图函数， 依次通过添加新文档、获取part对象、获取线框曲面对象以添加几何图形集，最终获得混合元素构造器而获得生成点、线、面的函数方法，该步操作完成；

第三步，将飞行器沿轴向分为n个截面，在飞行器外形变化梯度大的位置适当加密截面；将每个截面上的上下表面型线用k个离散点来描述，在型线曲率大的地方适当加密离散点；根据飞行器的理论外形及控制参数，计算出各离散点的空间坐标，离散点的选取考虑后续外形变化的影响，使外形变化后曲率大的地方仍有较密的控制点；

第四步，调用绘图函数绘制第三步所计算出的点，将相同截面的点连接为样条线，即生成了各个截面的控制型线，将这些线通过多截面曲面操作放样成为上下壁面，则飞行器气动外形生成；

第五步，保存数模文件，将数模保存为stp或igs格式文件。

上述的步骤在如下环境进行：三维建模软件包括CATIA、UG；网格生成软件包括Gridgen、Pointwise、ICEM；编程环境包括Python及pythonwin包或Visual Basic开发环境。

所述的步骤三具体步骤如下：

第一步，打开网格生成软件开启宏录制模式，导入数模文件；

第二步，在数模上生成控制线，并在控制线上布点，根据生成的控制线生成二维网格面，投影到壁面获得壁面网格；

第三步，生成空间的网格线并布点，生成外场网格面及辅助网格面，搭好结构网格拓扑；

第四步，依据生成的壁面网格面、外场网格面及辅助网格面生成网格块；

第五步，设置边界条件，保存网格文件与边界条件文件，关闭宏录制模式，得到脚本文件。

所述的步骤四：将生成外形及网格的程序通过命令行写入系统脚本，运行系统脚本文件即可生成外形数模与网格文件，后续调整外形时仅需修改外形控制参数文件中的数值并运行程序即可生成改进外形的数模与结构网格。

本发明所取得的有益效果为：

飞行器气动外形可由控制外形的如长度、曲率半径、角度等外形参数描述，对于参数化气动外形数模的自动生成，本发明通过编写脚本程序(Python、VB等语言)读取定义外形的各个参数计算出理论外形，并获得三维建模软件(CATIA、UG等)提供给Windows系统的COM接口，进而获取生成各种外形的函数，调用上述函数生成数模并保存。对于结构网格的生成，通过录制、编辑网格生成软件(Gridgen、Pointwise等)的脚本读入参数化数模，生成结构网格并输出网格文件。对于外形的修改，仅需调整输入文件中的描述外形的参数，采用该方法即可立即生成外形调整后的数模与相应的结构网格。在程序编写完成后，修改外形并生成结构网格的时间以秒计，设计人员仅需修改输入文件中的外形参数即可修改外形并生成结构网格，提高了设计效率，节省了大量人力，同时也为实现整个气动布局优化流程自动化并采用现代数值优化算法对飞行器气动外形进行优化设计铺平了道路。

附图说明

图1为飞行器对称面参数描述；

图2为参数化气动外形数模自动生成程序流程图；

图3为自动生成的外形(b1为10度，b2为0度，a1、a2均为0度)；

图4为自动生成的外形(b1为15度，b2为5度，a1、a2均为0度)；

图5为参数化气动外形CFD计算用结构网格自动生成流程图；

图6为自动生成的网格(b1为10度，b2为0度，a1、a2均为0度)；

图7为自动生成的网格(b1为15度，b2为5度，a1、a2均为0度)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1—7所示，本发明所述参数化气动外形数模及结构网格自动生成方法包括如下步骤：

步骤一、获取需优化飞行器的理论外形描述，定义外形参数。飞行器对称面由图1所示的4个角度参数控制，转折点位置确定，飞行器宽度确定，上表面横界面型线为椭圆，下表面为平面，则飞行器外形即确定，将4个角度参数写入文件作为输入文件。

步骤二、按图2所示的步骤采用VB或Python语言编写外形生成程序，对于三维飞行器气动外形的计算与生成可按如下步骤进行：

预安装软件：三维建模软件，如CATIA、UG等；网格生成软件Gridgen、Pointwise、ICEM等；编程环境，Python及pythonwin包或Visual Basic开发环境。

第一步，读取定义外形的输入文件，获得各外形参数的数值；

第二步，获取建模软件(如CATIA)提供给操作系统的COM接口以获得各种绘图函数，而后依次通过添加新文档、获取part对象、获取线框曲面对象以添加几何图形集，最终获得混合元素构造器而获得生成点、线、面的函数方法，则该步操作完成。

第三步，将飞行器沿轴向分为n个截面，在飞行器外形变化梯度大的位置应适当加密截面；将每个截面上的上下表面型线用k个离散点来描述，在型线曲率大的地方应适当加密离散点。根据飞行器的理论外形及控制参数，计算出各离散点的空间坐标，其算法伪代码如下：

离散点的选取应考虑后续外形变化的影响，使外形变化后曲率大的地方仍有较密的控制点。

第四步，调用绘图函数绘制第三步所计算出的点，将相同截面的点连接为样条线，即生成了各个截面的控制型线，将这些线通过“多截面曲面”操作放样成为上下壁面，则飞行器气动外形生成，该步算法的伪代码如下：

第五步，保存数模文件，一般可将数模保存为stp或igs格式文件。

经过以上步骤，外形自动生成工作完成，图3、图4为不同外形参数生成的 气动外形。

对于较复杂的飞行器外形，可采用分段生成的方式进行外形生成工作，即按照上述步骤分别生成飞行器不同段的气动外形，最终得到整个飞行器的气动外形。

步骤三、网格生成软件如Gridgen/Pointwise、ICEM等均具有宏(脚本)录制功能，即采用脚本记录的方法记录对软件的操作，从而在后续重复性的工作中仅运行脚本即可完成网格生成工作，该项工作的前提是采用与宏录制时拓扑结构一致(包括数模中点、线、面的顺序)的数模文件，因此该条件已在步骤2中已经得到保证。

在网格生成软件中开启宏录制模式，导入数模文件，根据结构网格绘制流程结合数模生成网格控制线并布点，进而生成二维网格面以及三维网格块，设置边界条件后保存网格文件与边界条件文件，关闭宏录制模式，则用于CFD计算的结构网格自动生成工作完成，其流程图见图5，具体步骤如下：

第一步，打开网格生成软件开启宏录制模式，导入数模文件。

第二步，在数模上生成控制线，并在控制线上布点，根据生成的控制线生成二维网格面，投影到壁面获得壁面网格。

第三步，生成空间的网格线并布点，生成外场网格面及辅助网格面，搭好结构网格拓扑。

第四步，依据生成的壁面网格面、外场网格面及辅助网格面生成网格块。

第五步，设置边界条件，保存网格文件与边界条件文件，关闭宏录制模式，得到脚本文件。

步骤四、将外形自动生成与网格自动生成程序进行集成，可通过操作系统的脚本实现。将生成外形及网格的程序通过命令行写入系统脚本(如Windows 系统的bat文件)，运行系统脚本文件即可生成外形数模与网格文件，后续调整外形时仅需修改外形控制参数文件中的数值并运行程序即可生成改进外形的数模与结构网格。图6、图7分别为不同外形对应的结构网格。