ANSA 在驻退机流场网格划分中的应用

刘大庆，刘玉杰，耿昊

（中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450015）

驻退机是火炮反后坐装置的重要组成部分，驻退机流场的仿真计算在其设计过程中占据着重要的环节，传统设计方法大多是基于火炮受力分析得到力学公式，采用编程语言求解微分方程，分析驻退机的受力情况。这种方法不能得到驻退机内部流场变化的情况。随着计算机仿真技术的推广应用，通过CFD 仿真软件对驻退机内部流场开展仿真得到了广泛应用。CFD 仿真计算需要对驻退机内部流场进行网格划分，由于驻退机内部结构复杂，驻退杆存在往复运动，涉及动网格的处理，很多时候，为了加快计算速度对内部结构进行了大量的简化，最终的仿真结果和实际存在差别，因此本文结合ANSA 软件对驻退机内部流场进行了网格划分，为更好地进行驻退机流场的仿真计算做好前处理工作。

1 常用软件对比

前处理常用的网格划分软件有：CFX、ICEM-CFD、TGRID、GAMBIT、HYPERWORKS、ANSA 等，其中前三者现在集成在ANSYS 之中，成为ANSYS 软件的一员，和ANSYS 公司的其他软件有着便捷的接口，其强项是划分结构网格，主要作为ANSYS 前处理使用。GAMBIT 是历史悠久的网格划分工具，曾经作为FLUENT 的前处理软件得到过广泛应用，随着FLUENT 软件被收购，GAMBIT 软件一直没有更新，还需要安装Exceed 虚拟平台，该软件的界面操作比较烦琐，在前处理方法中逐渐退出舞台。

ANSA 和HYPERWORKS 是应用最为广泛的前处理软件，ANSA 的主要优势在于提供了按特征选取的能力，采用菜单操作模式效率比较高，对于比较复杂的结构可以进行特征清理及调整，无须冗余的手工操作，几何与网格分离操作，其网格生成速度比HYPERWORKS 要快，单元质量调整也是比较方便。HYPERWORKS 的优势在于复杂模型抽取中面，六面体网格划分功能比较完善，CAD 模型导入速度比ANSA 要快。本文则采用ANSA 对驻退机内部流场网格划分进行探索。

2 驻退机模型建立

某型驻退机的三维模型如图1 所示，在火炮后坐过程中，驻退杆在驻退筒中往复运动，同时该驻退机存在补偿器，驻退机内腔通过一段弯管和补偿器连接，在实际使用过程中，补偿器和弯管中均存在流体，这一部分也需要进行网格划分。驻退杆活塞上存在8 个均匀分布的圆孔，为流体流通的主要通道，节制杆后部设有活门，活门端面存在8 个均匀分布的流液孔，活门及节制杆内外侧流体在网格划分时需要考虑动网格的设置。

图1 驻退机结构模型

动网格计算最关注的是网格的更新方法，在CFD 软件中，动网格模型有3 种，即弹簧光滑模型、动态层模型和局部网格重划模型。弹簧光滑模型理论上应用面很广，但这种模型对于存在往复运动或者移动方向不垂直于边界的结构，会导致网格畸变过大，造成计算中断，对网格划分要求比较高。动态层模型在计算中有着很大优势，但动态层网格受限于结构化网格，实现结构化网格划分后动态层模型会大大加快计算速度。局部重划模型是在弹簧光滑模型的基础上进行了修正，适用于网格畸变不大的地方。本例中存在着大幅度的往复运动，需要设法将运动部位网格设置为结构化网格，采取动态层模型实现动网格更新，加快计算速度和提高计算精度。

3 驻退机流场网格的划分

驻退机网格划分前需要对模型进行处理，去掉外部无关面，保留与流体的接触面，删除重合曲面，修正曲面方向，其中补偿器内液体体积占用补偿器一半空间，处理后的模型如图2 所示。

图2 ANSA 处理后流体模型

由于模型复杂，在划分前将模型分为几部分，分别划分网格，结合面处考虑到流体的实际要求，采用Interior 边界类型，实现流体的流通。后文选取其中几种复杂结构的网格划分进行介绍。

（1）补偿器部分。如图3 所示，采用混合网格，由于管道外壁的存在，为保证网格符合计算要求，对该部分分割为3 部分，中部与管道接触部位为非结构化网格，两侧区域采用结构化网格。其中结构化网格和非结构化网格之间面网格相同，后文中所有交界处都需要这样设置。

图3 补偿器部分结构化网格（左）与非结构化网格（右）

（2）弯管部分。弯管结构简单，采用结构化网格减少网格数量，如图4 所示。

（3）驻退杆后部连接管道部分。该区域形状规则，由于连接所弯管网格划分很细，为保证网格质量以及连续性，连接处采用非结构化网格，其余采用结构化网格，划分后的图形如图5 所示。

图4 弯管部分

图5 驻退杆后部连接管道处部分

（4）活塞移动部分。区域规则,采用结构化网格，活塞环部分结构尺寸减小，为了保证四面体网格连续，需要细化表面网格。

（5）活塞环前部部分。该部分结构比较复杂，有8 个流液孔的存在，划分网格时需要使用非结构化网格。由于需要和活塞部分连接，交界面处采用金字塔形网格，划分后图形如7 所示。

图6 活塞移动部分

图7 活塞环前部部分

（6）节制杆内槽（活门前）流液孔部分：该部位和活门相接，存在8 个流液孔，采用非结构化网格，与节制杆内腔相连的部分由于网格连续要求，采用结构化网格划分，如图8 所示。

（7）节制杆前侧部分：节制杆前部和驻退杆内腔围成的区域结构复杂，采用非结构化网格，内部形状复杂面采用三角形网格，整体区域使用四面体网格。与驻退机中腔连接处采用规则网格，交界面内侧体网格采用金字塔形网格划分。具体划分如图9 ～11 所示。

图8 节制杆内槽（活门前）流液孔部分

图9 节制杆前侧部分一

图10 节制杆前侧部分二

图11 节制杆前侧部分三

（8）剩余其他部分：都可以划分结构化网格，选择合适的结构，完成网格划分，最终将整体模型完成网格划分。所有模型划分完毕之后图形如图12 所示。各部分网格统计见表1。

图12 整体结构网格

表1 各部分网格情况汇总

从表1 可以看出，结构化网格（六面体）占比0.38%，占总体网格数量比例比较高，这种形式对后续仿真计算有着很大的优势，通过FLUENT 软件读取后网格，检查网格质量，该模型网格最小正交质量0.748，最大正交歪斜率0.126，最小网格体积0.092，且没有出现负体积，认为网格质量较高，可以满足仿真计算要求。

4 结语

本文通过ANSA软件对某型驻退机流场进行了网格划分，针对驻退机内部流场自身特点，尽可能多地保持流场原有特征，对活塞变截面，弯管曲折连接，狭窄流液孔，节制杆异型活门等零部件均没有进行简化处理，通过将复杂模型分为几部分划分，并选取合适的交界面，将分割后的流场连接起来，对内部流动不产生影响，增加结构化网格数量，降低模型网格的畸变率，杜绝负体积出现，减小了计算机仿真工作量和计算时间，降低了计算中断率，为含有动网格的复杂模型网格划分提供了参考和借鉴作用。