基于鱼雷热动力系统全工作过程联合仿真预测设计方法

马为峰, 李 鑫, 韩新波, 万荣华, 韩勇军

基于鱼雷热动力系统全工作过程联合仿真预测设计方法

马为峰, 李 鑫, 韩新波, 万荣华, 韩勇军

(中国船舶集团有限公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

针对鱼雷热动力系统缺乏多学科集成设计环境, 不能实现跨学科跨系统协同等问题, 基于鱼雷热动力系统仿真的发展现状, 提出了基于鱼雷热动力系统全工作过程联合仿真的预测设计方法, 构建了涵盖不同维度、不同专业仿真软件和试验数据的动力系统仿真验证体系, 探索了子系统数值仿真、方案优化和系统数值试验的预测设计途径, 在实现多方案设计参数驱动和跨学科跨系统交互仿真的同时, 完成了系统数字化验证和性能评价。通过仿真实例说明, 该方法可以直观显示系统工作过程的流场细节和参数变化规律, 完成系统性能的虚拟验证, 实现从“传统设计”到“预测设计”的转变, 提高设计成功率和可靠性, 缩短研制周期, 为鱼雷热动力系统的设计提供参考。

鱼雷热动力系统; 联合仿真; 预测设计

0 引言

鱼雷热动力系统是一个空间和质量受限的复杂热力系统, 目前主要采用基于OTTO-Ⅱ燃料的活塞机动力、二氧化物/JP5燃料热动力[1]、HAP /OTTO燃料热动力、水反应金属燃料喷射推进热动力、HYDROX热动力等形式, 研究涉及热力学、燃烧学、传热传质学、动力学、流体力学和材料学等诸多学科及交叉领域, 物理化学过程复杂[2], 耦合性强, 影响因素多。该系统的研制必须进行大规模的零部件试验、功能子系统联合试验、系统功率试验、湖试和海试, 研发周期长、耗费大。为缩短研发周期, 减少耗费, 必须提高系统设计效率、设计质量和一次开发成功率。这要求加大数值仿真和数值试验的力度, 以期在设计初期暴露问题, 优化方案, 降低研制风险, 同时, 利用数值试验的方法可代替或减少部分物理试验, 降低研制费用, 缩短研制周期。

铝基水反应金属燃料动力[2]等新型能源动力系统虽具有前瞻性、战略性和带动性, 但由于起点低, 基础薄弱, 还不具备进行全系统试验和大量分系统试验的条件, 安全性和经济性方面也欠完善。因此, 同样需要利用数值仿真方法来摆脱物理模型和试验模型的限制, 模拟真实条件和试验中只能接近而无法达到的理想条件, 通过仿真得到详细完整的系统性能参数, 对系统的工作过程进行性能预示, 得到各子系统及其参数对系统性能的影响规律, 为理论和试验研究工作提供指导。

文中针对鱼雷热动力系统缺乏多学科集成设计环境, 不能实现跨学科跨系统的协同等问题, 基于鱼雷热动力系统仿真的发展现状, 提出了涵盖数值仿真、方案优化和数值试验的系统全工作过程联合仿真优化方法, 在实现多方案设计参数驱动和跨学科跨系统交互仿真的同时, 构建了全系统启动、变工况非稳态过程的性能预报, 完成了系统数字化验证和性能评价, 实现了从传统设计到预测设计的转变。

1 系统预测设计研究现状

先进的设计流程和性能评估是实现技术快速转化为产品的核心。目前, 国外工业设计和评估已发展到全数字化虚拟样机设计阶段, 正向综合优化的精益样机设计过渡。通过三维设计、系统仿真、流体仿真和机械仿真, 借助虚拟现实技术, 不但可以在设计阶段看到完整的几何产品样机, 而且可以了解样机的性能是否满足要求, 从而在产品实物加工前进行完整的测试和评估, 极大地加快产品研制进度并进行优化设计。据国外统计, 航空发动机的研制过程中, 采用数值仿真技术可使研制时间节省约33%, 研制费用节省约50%。该技术是现代先进发动机研制技术的一个重要发展方向, 是“迄今为止最为有效的经济的综合集成方法”, 是推动科技进步的战略技术[3-4]。

20世纪90年代后期, 美国国家航空航天局(national aeronautics and space administration, NASA)的格伦研究中心与美国国防部提出了数值推进系统仿真(numerical propulsion system si- mulation, NPSS)的研究计划[3-5]。该计划以大规模、分布式、高性能计算和通信环境为依托, 采用最先进的面向对象及远程网络协同工作技术, 将推进系统各部件、各分系统与多学科综合设计、分析与评估集成在一起, 能为推进系统的前期设计在性能、操作性和寿命方面提供准确参数, 通过减少重复设计、重复试验和昂贵的硬件设施建设三方面为生产厂商节约30%～40%的研制时间和经费, 从而确保美国在航空航天领域长期、绝对的技术优势, 具有重大的军事和经济意义。

21世纪初, 俄罗斯中央航空发动机研究院开发了燃气轮机计算机仿真系统, 可对整机及其部件流道的流动情况, 以及发动机的稳态参数进行计算, 并扩展到非定常的过渡态计算。程序的运行控制通过专用的任务输入系统实现, 后处理包括通用软件界面及专用可视化界面[5-7]。

国内在航空推进系统的数值仿真方面做了很多工作, 并将研究成果部分集成到统一的设计平台上, 实现了子系统的数字化仿真。例如, 北京航空航天大学航空发动机数值仿真研究中心[6-7], 在计算机虚拟环境中对航空发动机整机和部件进行高精度、高保真的多学科综合数值仿真, 实现了多维度系统性能评估, 技术水平国内领先。

随着鱼雷能源与动力技术的发展, 传统的样机研发流程和验证方法越来越难以满足新型动力的研发。在借鉴新时期航空系统研发思路的基础上, 彭博等[8]基于鱼雷热动力技术的发展水平和趋势, 探讨了鱼雷热动力系统的发展模式, 提出了型号研究与单项技术突破并行发展的研究思路, 明确了采用数值仿真、虚拟样机和试验验证相互支撑的技术发展途径。通过研究和发展, 国内鱼雷热动力系统具备了系统及系统内部变复杂度仿真、多场耦合仿真、计算流体力学/结构力学仿真等能力, 涵盖了产品全寿命周期系统和子系统不同维度和专业的仿真, 鱼雷热动力系统仿真主要方向和使用软件如图1所示。

图1 鱼雷热动力系统联合仿真主要方向和使用软件

2 预测设计体系构建

为形成较为完善的设计理论和性能评价体系, 构建自上而下的正向设计仿真体系, 促进测绘仿制到自行研制的发展, 文中基于系统和子系统不同维度和专业的仿真软件, 研究了鱼雷热动力系统全工作过程联合仿真的预测设计体系的功能、架构和数据交换方式, 建立了包含性能、设计及试验数据等内容的数据库, 基于Workbench封装集成了UG、Mechanical、CFX、FLUENT、ADAMS、VC、VF、VB、MATLAB等软件并支持各种程序自动运行, 采用数据缩放技术实现了不同学科设计仿真软件不同维数模型以及系统和子系统之间关联量的相互映射, 提高系统的仿真效率和精度; 通过计算结构力学、多场耦合、计算流体力学、虚拟样机等仿真方法, 建立针对不同仿真目的的仿真流程, 实现仿真流程的层次化框架管理, 在统一架构下, 构建具有仿真数据和流程管理的基础平台, 如图2所示。根据基础平台形式, 提出软件集成要求, 形成软件集成的接口规范。

图2 鱼雷热动力系统预测设计基础平台架构

建立鱼雷热动力子系统的数字模型, 确定各子系统的工作参数、边界条件和匹配关系, 形成系统数字模型。利用基础平台系统仿真软件、数值仿真软件的集成与数据交换, 实现系统、子系统仿真, 以及系统和子系统联合仿真, 从整体和局部对系统和子系统的性能进行预测和评价。对各子系统进行性能评估及系统工作过程演示, 验证系统构型方案、参数匹配和对系统性能的影响规律。

通过软件集成、数据库封装和数据映射等技术手段, 集成了各专业学科独立的设计仿真工具, 打通了软件程序间的信息连接通道, 建立了基于鱼雷热动力系统全工作过程联合仿真的预测设计体系, 确立了自动化、规范化的设计流程, 实现了跨学科、跨系统协同。

3 方法及仿真实例分析

基于鱼雷热动力系统全工作过程联合仿真的预测设计方法以系统方案和工作参数为输入, 以计算机辅助设计(computer aided design, CAD)建模技术和多领域仿真技术为核心, 基于具有联合仿真能力和结果演示的鱼雷热动力系统设计仿真平台, 通过各种动态性能仿真掌握系统整体模型在真实条件下的特性, 并根据数字化验证结果对系统设计方案进行优化, 以数字化形式代替传统的实物样机试验, 验证和评价系统参数匹配性、工作过程组织的合理性等。

基于鱼雷热动力系统全工作过程联合仿真的预测设计方法及仿真实例如下。

1) 根据设计输入进行系统热力计算, 获得系统设计工况的工作参数和主要节点参数, 如发动机转速和输出功率、燃烧室压力以及工质流量等。在进行系统热力计算时, 可以根据总体约束条件进行优化。

2) 基于鱼雷热动力系统设计仿真平台, 将系统设计工况的工作参数和主要节点参数映射为系统集总参数仿真和系统一维仿真的输入参数。

3) 初选燃烧室容积等结构参数, 完成系统集总参数仿真和系统一维仿真, 掌握系统变工况过程的动态特性, 获得系统全工作过程的若干时刻和典型工况的各功能子系统工作参数和边界参数, 如启动过程和变工况过程中的燃烧室压力峰值和峰值时间等。系统集总参数仿真全工作过程参数变化如图3所示。

图3 系统集总参数仿真全工作过程参数变化

4) 基于鱼雷热动力系统设计仿真平台将各功能子系统定工况和变工况的工作参数和边界参数映射到子系统零维、一维和多维的接口边界上, 即系统向子系统传递接口边界条件[9]。映射的边界参数包括启动过程、稳定工况以及变工况过程的边界参数。

5) 建立子系统功能样机, 以映射的全工作过程工作参数和边界参数为输入, 完成子系统零维、一维和多维变结构仿真, 通过温度场、应力场等参数及分布规律对子系统进行数字化功能验证和结构参数优化, 形成最优的子系统数字样机。

6) 鱼雷热动力系统设计仿真平台将子系统数字样机的结构参数传递给系统, 如燃烧室容积、长度等, 进行系统集总参数仿真和系统一维仿真校核。如果相邻2次计算的误差达到设定值, 结束系统仿真和子系统联合仿真, 以最后一轮的结构参数为终值进行详细设计。否则, 以传递给系统的结构参数作为初选结构参数, 重新执行流程3)、4)、5)进行迭代, 直至误差满足要求。系统和子系统联合仿真流程如图4所示。

图4 系统和子系统联合仿真流程

7) 以系统和子系统联合仿真获得的系统边界参数和结构参数固化形成子系统数字样机, 进行子系统工作过程不同时刻结构强度、振动、传热、传动和动力学响应等性能的预测与验证。燃烧子系统不同时刻的温度场预测如图5所示。

8) 基于鱼雷热动力系统全工作过程联合仿真结果, 提取表征系统或子系统特性(如温度分布均匀性和掺混均匀性)的参数, 对比不同边界条件和输入参数下流场的差异程度, 总结参数变化的趋势和规律, 对系统主体结构进行优化设计。对于评价参数不唯一的, 可以建立目标函数, 进行多目标优化设计[10]。

图5 燃烧子系统不同时刻的温度场预测

系统全工作过程中燃烧与热功转换参数变化如图6所示。

图6 系统全工作过程中燃烧与热功转换参数变化

基于鱼雷热动力系统全工作过程联合仿真的预测设计将各子系统的仿真或联合仿真置于系统的整个工作过程中, 既可以多维度模拟真实的动态试验过程, 直观显示系统工作过程的参数变化规律和流场细节, 又可以拓展真实的试验边界参数, 获得系统多参数耦合稳定区域, 探索影响系统性能的关键参数和影响权重, 实现热动力系统多维动态、多学科集成设计与分析[8-10]。

应用文中方法开展了多型在役在研鱼雷能源动力系统的性能预示和评价, 取得了显著效果。在开发全系统虚拟数字样机的同时, 建立了各子系统之间的相互关系, 发现了特殊构造下高温、易燃等真实场景的参数变化规律, 印证和延拓了稳态过程试验结果, 预报了系统非稳态过程性能。

基于全过程仿真的预测设计以系统多学科、多维度仿真为核心, 以系统需求和构型为输入, 以数字化样机详细设计为输出, 支撑物理样机研制和试验评估。基于全过程仿真的预测设计在系统正向设计(需求分析、全过程仿真优化、设计与加工、性能评估)中的关系如图7所示。

图7 基于全过程仿真的预测设计与系统正向设计关系

4 结束语

随着鱼雷动力系统性能指标日益提高、研制任务的日渐紧迫、人力资源成本不断增加, 传统的研发模式已经无法满足现有需要, 必须改变现有的研发模式, 借助计算机仿真技术和现代信息化技术的研究成果, 实现基于鱼雷热动力系统全工作过程联合仿真的预测设计, 在更宽、更高、更广、更精细的层次上进行研发和设计。

基于鱼雷热动力系统全工作过程联合仿真的预测设计方法可以构造易于修改的数字化产品, 直观快速地比较多种方案, 仿真真实工况下数字化样机的性能, 在产品的初步方案确定后同时进行性能分析、机构运动学动力学仿真、有限元分析等工作, 并根据各自的仿真分析结果提出改进措施。该方法将鱼雷热动力系统研制中的方案选择、参数设计、结构分析、虚拟试验和性能优化置于计算机虚拟环境下进行, 充分利用先进的计算机软硬件技术, 提高产品的性能, 改变了以往设计—加工—验证的设计模式, 提供了一个全新的正向系统研发模式, 可以实现鱼雷热动力系统从传统设计到预测设计的转变, 大幅度提高设计成功率和可靠性, 减少试验次数, 降低研制成本和风险, 缩短研制周期。

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Prediction Design Method on Whole Working Process Co-Simulation of Torpedo Thermal Propulsion System

MA Wei-feng, LI Xin, HAN Xin-bo, WAN Rong-hua, HAN Yong-jun

(The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China)

In view of lack of a multi-disciplinary integrated design environment for torpedo thermal propulsion system and inability to achieve interdisciplinary cross-system coordination, this paper investigates the co-simulation prediction design method on the whole working process of torpedo thermal propulsion system based on the development status of torpedo thermal propulsion system simulation. This study provides a simulation and verification system of the thermal propulsion system using different dimensions, different professional simulation software and test data, and explores the prediction design method of the subsystem numerical simulation, scheme design optimization and the system numerical tests, in realizing the drive of the design parameters and interdisciplinary cross-system simulation, completes the digital verification and performance evaluation. The simulation examples show that the method enables the visual display of fluid field details and parameter changes, thereby facilitating the virtual validation of system performance. Using this method, the transfer from the conventional design to predicted design is achieved. As a result, design success rate and product reliability are enhanced while the design period is reduced, which is crucial for the research and development of torpedo thermal propulsion systems.

thermal propulsion system of torpedo; co-simulation; prediction design

TJ630.32; TP391.9

A

2096-3920(2021)02-0224-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.014

马为峰, 李鑫, 韩新波, 等. 基于鱼雷热动力系统全工作过程联合仿真预测设计方法[J]. 水下无人系统学报, 2021, 29(2): 224-229.

2020-02-16;

2020-05-28.

马为峰(1977-), 男, 硕士, 高工, 主要研究方向为水下能源动力技术.

(责任编辑: 陈 曦)