基于UDF的折叠翼展开过程仿真计算

雷 歌，孙文福，莫小琴，孙景伟

（三亚学院 理工学院，海南 三亚 572022）

基于UDF的折叠翼展开过程仿真计算

雷 歌，孙文福，莫小琴，孙景伟

（三亚学院 理工学院，海南 三亚 572022）

文章在设计了一种水下航行器折叠翼展开机构的基础上，基于UDF方法对设计模型展开过程进行了数值仿真计算，讨论了在某一扭转展开机构设计参数下，不同水速时折叠翼展开过程，得到在不同发射速度下折叠翼展开特性的变化规律。

折叠翼；UDF；仿真计算

水下航行器折叠翼的应用不仅能降低发射装置对航行器外形的限制，缩小航行器及发射装置的径向尺寸，节省储运空间，同时还保证了在水下航行器巡航阶段，产生足够的流体动力以满足稳定性与机动性等要求[1]。因此，将折叠翼技术应用于水下航行器具有重要意义。在进行折叠翼设计时，展开过程中的性能参数，如展开时间、展开角速度等是重要的参考指标[2]。这些指标可以方便对折叠翼机构、发射装置和控制系统进行更好地设计、修改。

1 折叠翼机构设计与展开过程分析

折叠翼活动端从折叠位置向工作位置转化是经由紧固—展开—固定这一套展开机构来完成的。运输及装管状态下，折叠翼活动端由紧固机构固定在折叠状态，扭簧被预紧。当需要折叠翼展开工作时，紧固机构打开，活动端在扭簧力与水动力共同作用下，展开到位后由锁紧机构固定。

2 基于UDF的折叠翼展开过程仿真分析

2.1 计算方法的选择

本文所用Fluent是目前国际上成熟的CFD软件，其拥有大量的物理模型、完善的计算方法和其他相关软件良好的兼容性以及卓越的前后处理功能，在军事方面和民事方面都有广泛应用。Fluent经过大量算例考核，同实验符合较好，由于以上优点，本文使用Fluent软件来进行折叠翼数值仿真计算。在标准的Fluent界面添加UDF功能，可以实现用户的特殊需要，UDF能够动态地与Fluent求解器进行通讯，从而使求解器性能达到最优。

2.2 UDF技术实现分部结果与Fluent之间的通讯过程

折叠翼在展开过程中受水动力的作用，还受到扭簧扭力的作用。扭簧扭力在折叠翼展开过程中提供动力，并随着折叠翼折叠角度的变化时刻发生着变化。水对折叠翼的作用力随折叠翼的空间位置、角速度以及角加速度的变化而变化，不同时刻受到的水的作用力也不同。

假设在当前时间步折叠翼的空间位置、角速度以及角加速度已知，通过Fluent软件的求解计算，获得在当前时间步水对折叠翼的作用力和力矩，由折叠翼受到的力和力矩求解出折叠翼的展开角加速度和角速度，并将求解得出的角速度通过UDF技术与Fluent进行通讯，修正折叠翼的空间位置、角速度。如此反复迭代，只要所取的时间步足够小，就可以认为折叠翼的空间位置、角速度以及角加速的改变与所受力矩的变化是同时发生的，从而使得折叠翼整个展开过程连续、动态地仿真出折叠翼的整个打开过程。

3 仿真计算与结果分析

3.1 模型建立与网格的划分

水下航行器折叠翼展开过程是一个高速转动过程，由于航行器机体本身对折叠翼所受水动力的影响较小，这里选取计算模型为折叠翼活动端和转动轴。计算域分为固定和滑动两部分，距离折叠翼较近的区域随折叠翼一起运动，为滑动区域，距离折叠翼较远的区域为固定区域，两部分的交界面为滑移面。

3.2 边界条件及求解器设置

基于压力耦合求解器进行计算，空间离散方法为有限体积法（FVM），采用二阶迎风格式对控制方程进行离散，数值求解器参数设置如表1所示。

表1 折叠翼数值求解模型参数设置

求解器的时间步长Δt取10-5s，采用SIMPLE算法在每个时间步上求解方程。在每一个时间步内计算收敛后，时间步向前推进，计算模型网格自动更新，进行下一个时间步的计算。经过一定步数的计算，就可获得折叠翼展开角，展开角速度等随时间变化曲线。

3.3 计算结果与分析

仿真计算过程中，取扭簧参数Ma=2（Tmin+kTa）=2+0.121a，保持水下航行器折叠翼攻角为5°，折叠翼初始折叠角为90°条件下，计算折叠翼在静水中、8m/s，12m/s水速下的展开过程分别如图1—3所示。

图1 静水中展开角度、角速度变化曲线

图2 8m/s水速下角度、角速度变化曲线

图3 12m/s水速下角度、角速度变化曲线

由以上各图可以得出如下结论：（1）折叠翼在不同水速下的展开过程曲线趋势是一致的。在折叠翼展开过程中，角速度逐渐增大，到达一定程度后，又逐渐减小，直到完全展开。（2）折叠翼展开时间随着水速的增大变得更长，展开过程中最大角速度以及完全展开时的角速度也较低水速时的角速度小，并且水速越大，折叠翼达到最大角速度的时间越慢。

4 结语

本文基于UDF方法对设计模型展开过程进行了数值仿真计算，讨论了在某一扭转展开机构设计参数下，不同发射速度下折叠翼展开特性的变化规律。本文的研究结果对航行器折叠翼展开过程提供了一种新的仿真方法，为进一步优化和改进水下航行器折叠翼的设计方案提供了参考，具有重要的指导意义。

[1]冀功祥，喻国兆.水下航行器鳍折叠机构设计[J].水雷战与舰船防护，2010（2）：25-26.

[2]徐德民.鱼雷技术论文集[M].西安：西北工业大学出版社，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，陕西三原，硕士，助教；研究方向：机械设备结构设计及性能。