一种基于流‑固耦合及代理模型的入水仿真分析方法与流程

本发明属于结构入水冲击流-固耦合仿真分析技术领域，特别是一种基于流-固耦合及代理模型的入水仿真分析方法。

背景技术：

结构入水冲击问题，在民用和军事上都有着广泛的工程应用背景。例如，鱼雷空投入水、救生艇海上抛落、飞机水上冲击漂浮，以及航天工程中的返回舱海上降落回收都涉及到了结构的入水问题。目前，研究人员通常采用基于流-固耦合理论的大型通用仿真软件对结构入水冲击响应进行建模与分析。现阶段，在流-固耦合分析方面应用最为广泛的分析软件有：MSC.DYTRAN、LS-DYNA等。其基本的仿真分析流程为：建立拉格朗日网格(即结构网格)、根据结构尺寸建立相应的欧拉网格(即水域网格)、进行流-固耦合仿真分析、仿真数据后处理。

然而，现有的通用软件在进行入水仿真计算以及数据处理过程中，需要涉及到模型几何处理、模型网格划分、流-固耦合参数设置、选择求解器计算、数据处理等多种类型软件，这给工程技术人员在结构设计以及分析过程中带来了诸多不便。另外，入水冲击问题通常都是大位移、大变形运动过程，在结构设计过程中往往需要的是结构随体坐标系的相关数据，然而，现有的分析软件只能输出固定坐标系的响应数据。第三，在入水结构设计过程中，需要通过控制其入水角来满足结构强度设计要求，这样在结构设计阶段就需要反复通过仿真手段计算其不同入水角的响应数据，以供设计人员参考。这在无形之中大大增加了计算的成本、延长了结构设计周期。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种软件数量少、计算成本低的基于流-固耦合及代理模型的入水仿真分析方法，并且能够输出实际设计过程所需数据。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于流-固耦合及代理模型的入水仿真分析方法，采用Matlab的GUI界面设计为平台，构建前处理模块、求解器模块、后处理模块、代理模型模块：

所述前处理模块，将有限元网格模型结构调整到所要求的初始状态，通过识别结构所处空间坐标范围给定初始水域范围，在给定初始水域范围后选择相应的波浪模型以满足计算工况的要求，然后生成计算文件并提交给求解器进行仿真计算；

所述求解器，对前处理模块输入的计算文件基于流-固耦合分析进行入水仿真计算，并将计算结果分别导入后处理模块和代理模型模块；

所述后处理模块，根据需要对计算结果数据进行滤波以及坐标系转换处理，最后根据处理好的数据绘制数据曲线并输出；

所述代理模型模块，根据求解器输出的仿真计算结果，将所需的计算结果保存下来，然后生成对应的流-固耦合分析代理模型，该代理模型用于后续入水仿真计算。

进一步地，所述前处理模块包括模型导入接口、结构姿态调整模块、水域范围调整模块、波浪模型数据库、提交计算文件模块，模型导入接口分别通过结构姿态调整模块、水域范围调整模块、波浪模型数据库与提交计算文件模块相连；

通过模型导入接口将有限元网格模型导入系统中；根据工况需求，通过欧拉角坐标转换矩阵即结构姿态调整模块将结构调整到所要求的初始状态；然后，在水域范围调整模块中，通过识别结构所处空间坐标范围给定初始水域范围；另外，根据标准海况列表创建不同海况下的波浪模型数据库，在给定水域范围后选择相应的波浪模型来满足计算工况的要求；完成上述设置后则在提交计算文件模块中设置计算时间、初始时间步长，然后生成计算文件，提交给求解器进行仿真计算。

进一步地，所述后处理模块包括数据读取接口、数据滤波模块、数据随体坐标系转换模块和数据曲线模块，数据读取接口将求解器所得仿真计算结果数据导入后处理模块中，所述数据滤波模块对该计算结果数据进行滤波，数据随体坐标系转换模块将滤波后的数据转换到随体坐标系下，数据曲线模块根据处理好的数据绘制数据曲线并输出。

进一步地，所述代理模型模块通过流-固耦合分析代理模型，将典型入水角度工况的响应数据提取构造相应的响应面模型，从而通过响应面预测其他工况的响应数据。

进一步地，所述数据随体坐标系转换模块将滤波后的数据转换到随体坐标系下，具体为：在设置输出点响应数据时，将构建随体坐标系的参考点的位移时域数据输出，将每一时刻的随体坐标系构建出来，从而将输出的固定坐标系下的响应数据转换到随体坐标系下。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用Matlab的GUI界面设计为平台进行软件设计，通过编制不同软件接口，实现整个仿真分析过程从建模到计算，再到数据处理完全在同一软件界面下进行；(2)将每一时刻的随体坐标系构建出来，从而可以将现有通用软件输出的固定坐标系下的响应数据转换到随体坐标系下；(3)通过代理模型模块，将典型入水角度工况的响应数据提取构造相应的响应面模型，只需要计算有限次数的工况，就可以通过响应面预测其他工况的响应数据，从而可以大大减小计算成本。

附图说明

图1为本发明基于流-固耦合及代理模型的入水仿真分析方法的结构图。

图2为本发明中前处理模块的内部构造图。

图3为前处理模块操作面板示意图。

图4为模型示意图。

图5为本发明中后处理模块的内部构造图。

图6为后处理操作面板示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明基于流-固耦合及代理模型的入水仿真分析方法，采用Matlab的GUI界面设计为平台，构建前处理模块、求解器模块、后处理模块、代理模型模块，通过编制不同软件接口，实现整个仿真分析过程从建模到计算，再到数据处理完全在同一软件界面下进行：

所述前处理模块，将有限元网格模型结构调整到所要求的初始状态，通过识别结构所处空间坐标范围给定初始水域范围，在给定初始水域范围后选择相应的波浪模型以满足计算工况的要求，然后生成计算文件并提交给求解器进行仿真计算；

所述求解器，对前处理模块输入的计算文件基于流-固耦合分析进行入水仿真计算，并将计算结果分别导入后处理模块和代理模型模块；

所述后处理模块，根据需要对计算结果数据进行滤波以及坐标系转换处理，最后根据处理好的数据绘制数据曲线并输出；

所述代理模型模块，根据求解器输出的仿真计算结果，将所需的计算结果保存下来，然后生成对应的流-固耦合分析代理模型，该代理模型用于后续入水仿真计算。

结合图2，所述前处理模块包括模型导入接口、结构姿态调整模块、水域范围调整模块、波浪模型数据库、提交计算文件模块，模型导入接口分别通过结构姿态调整模块、水域范围调整模块、波浪模型数据库与提交计算文件模块相连；

通过模型导入接口将初始有限元网格模型导入系统中；根据工况需求，通过欧拉角坐标转换矩阵即结构姿态调整模块将结构调整到所要求的初始状态；然后，在水域范围调整模块中，通过识别结构所处空间坐标范围给定初始水域范围，例如根据工况要求给出初始水面位置等；另外，根据标准海况列表创建不同海况下的波浪模型数据库，在给定水域范围后选择相应的波浪模型来满足计算工况的要求；完成上述设置后则在提交计算文件模块中设置计算时间、初始时间步长，然后生成计算文件，提交给求解器进行仿真计算。

结合图3，根据工况需求，在图示黑色方框内填写结构姿态角、水域范围、欧拉网格物理参数等信息，便可以得到符合工况要求的模型文件。通过模型预览，如图4所示，可以看到所提交模型的初始状态，并检查模型初始参数设置是否有误。这样就实现了入水结构模型快速参数化建模。完成上述设置后则在提交计算文件模块中设置计算时间、初始时间步长，然后生成计算文件，提交给求解器进行仿真计算。

结合图5，所述后处理模块包括数据读取接口、数据滤波模块、数据随体坐标系转换模块和数据曲线模块，数据读取接口将求解器所得仿真计算结果数据导入后处理模块中，所述数据滤波模块对该计算结果数据进行滤波，数据随体坐标系转换模块将滤波后的数据转换到随体坐标系下，数据曲线模块根据处理好的数据绘制数据曲线并输出。

结合图6，为一具体计算实例，根据设计人员根据需要可以将结构测点的位移、速度以及过载曲线输出，并可以输入合理的截止滤波频率将过载曲线进行滤波处理。然后，可以将滤波后的过载曲线转换到相应的随体坐标系下。

进一步地，所述数据随体坐标系转换模块将滤波后的数据转换到随体坐标系下，具体为：对于输出数据相对坐标系问题，可以在设置输出点响应数据时，将构建随体坐标系的参考点的位移时域数据输出，这样可以通过编程，将每一时刻的随体坐标系构建出来，从而可以将现有通用软件输出的固定坐标系下的响应数据转换到随体坐标系下。

进一步地，所述代理模型模块，根据设计人员需求将所需的计算的结果保存下来，然后生成对应的所述代理模型模块，通过流-固耦合分析代理模型将典型入水角度工况的响应数据提取构造相应的响应面模型，从而通过响应面预测其他工况的响应数据。通过代理模型可以省去计算成本较高的流-固耦合分析过程，快速得到所需的计算结果，这样大大减小了计算成本并有效缩短了设计周期。此外，还可以利用代理模型技术对结构进行相应的结构优化设计。

本发明解决了现有分析流程中涉及软件数量较多、无法输出实际设计过程所需数据、较高的计算成本等问题。