火箭协同优化中的气动代理模型研究

发布时间：2021-08-24 23:49

　　随着运载火箭研发模式转变,快速迭代和协同优化设计成为主要发展方向,这就要求作为小回路论证中重要一环的气动特性计算能够实现在线输出数据,亟需研究一种快速计算气动特性的代理模型,代替耗时的CFD计算和风洞试验参与到总体优化设计中。综合比较多种快速计算途径,选择高斯基Kriging插值和BP神经网络两种方法构建代理模型。使用脚本控制的Cart3D软件生成数值试验样本,样本点精度与Fluent软件计算误差小于14%。通过样本点训练、内参优化和加点策略,最终获得相对误差小于10%的代理模型,能够实现给定外形参数在线秒级输出气动数据,极大地推动了气动计算在总体论证中的作用。 

【文章来源】：宇航总体技术. 2020,4(05)

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

代理模型的构建途径

大型运载火箭一般采取捆绑助推器的构型,我国现役和在研的运载火箭往往采用2个或4个助推器,本文示例的是四助推器的构型,如图2所示。图中的参数和尺寸充分且唯一地定义了火箭的气动外形。按照经验将头部锥角和捆绑缝隙宽度固定为常值,其余16个设计变量变化取值,构成不同的火箭外形。因此本文中的设计空间是16维的高维空间。根据总体设计各专业经验,形成如下约束条件,最终形成设计空间:

为避免样本生成耗费过长的周期,同时保持一定的工程应用精度,本文使用高精度无黏分析软件Cart3D对飞行器进行气动特性分析。该软件首先在全流场域生成各向尺寸一致的粗糙网格,再根据模型结构在物面附近自动逐步加密得到尺寸合适的流场网格,程序能通过定义网格区域及网格密度,自动捕捉模型的几何特征,快速生成笛卡尔网格(图3),极大地压缩网格生成时间,最后求解Euler方程得到流场结果。该方法网格生成效率高,流场求解速度快,能大大缩短计算时间。为高效批量生成几何模型并划分网格,采用程序控制的脚本模式运行上述过程。为验证Cart3D软件的计算精度,应用国内某型经典捆绑运载火箭标准外形使用Cart3D和Fluent软件分别开展计算并比较,结果如表1所示。针对标准外形,在各马赫数下Cart3D与Fluent的计算误差最大约13.4%(升力系数,Ma=3.0,攻角a=0°),平均误差在10%以内,可以用于样本库的建立。


本文编号：3360958