ANSA 在駐退機流場網格劃分中的應用

劉大慶，劉玉杰，耿昊

（中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015）

駐退機是火炮反后坐裝置的重要組成部分，駐退機流場的仿真計算在其設計過程中占據著重要的環節，傳統設計方法大多是基于火炮受力分析得到力學公式，采用編程語言求解微分方程，分析駐退機的受力情況。這種方法不能得到駐退機內部流場變化的情況。隨著計算機仿真技術的推廣應用，通過CFD 仿真軟件對駐退機內部流場開展仿真得到了廣泛應用。CFD 仿真計算需要對駐退機內部流場進行網格劃分，由于駐退機內部結構復雜，駐退桿存在往復運動，涉及動網格的處理，很多時候，為了加快計算速度對內部結構進行了大量的簡化，最終的仿真結果和實際存在差別，因此本文結合ANSA 軟件對駐退機內部流場進行了網格劃分，為更好地進行駐退機流場的仿真計算做好前處理工作。

1 常用軟件對比

前處理常用的網格劃分軟件有：CFX、ICEM-CFD、TGRID、GAMBIT、HYPERWORKS、ANSA 等，其中前三者現在集成在ANSYS 之中，成為ANSYS 軟件的一員，和ANSYS 公司的其他軟件有著便捷的接口，其強項是劃分結構網格，主要作為ANSYS 前處理使用。GAMBIT 是歷史悠久的網格劃分工具，曾經作為FLUENT 的前處理軟件得到過廣泛應用，隨著FLUENT 軟件被收購，GAMBIT 軟件一直沒有更新，還需要安裝Exceed 虛擬平臺，該軟件的界面操作比較煩瑣，在前處理方法中逐漸退出舞臺。

ANSA 和HYPERWORKS 是應用最為廣泛的前處理軟件，ANSA 的主要優勢在于提供了按特征選取的能力，采用菜單操作模式效率比較高，對于比較復雜的結構可以進行特征清理及調整，無須冗余的手工操作，幾何與網格分離操作，其網格生成速度比HYPERWORKS 要快，單元質量調整也是比較方便。HYPERWORKS 的優勢在于復雜模型抽取中面，六面體網格劃分功能比較完善，CAD 模型導入速度比ANSA 要快。本文則采用ANSA 對駐退機內部流場網格劃分進行探索。

2 駐退機模型建立

某型駐退機的三維模型如圖1 所示，在火炮后坐過程中，駐退桿在駐退筒中往復運動，同時該駐退機存在補償器，駐退機內腔通過一段彎管和補償器連接，在實際使用過程中，補償器和彎管中均存在流體，這一部分也需要進行網格劃分。駐退桿活塞上存在8 個均勻分布的圓孔，為流體流通的主要通道，節制桿后部設有活門，活門端面存在8 個均勻分布的流液孔，活門及節制桿內外側流體在網格劃分時需要考慮動網格的設置。

圖1 駐退機結構模型

動網格計算最關注的是網格的更新方法，在CFD 軟件中，動網格模型有3 種，即彈簧光滑模型、動態層模型和局部網格重劃模型。彈簧光滑模型理論上應用面很廣，但這種模型對于存在往復運動或者移動方向不垂直于邊界的結構，會導致網格畸變過大，造成計算中斷，對網格劃分要求比較高。動態層模型在計算中有著很大優勢，但動態層網格受限于結構化網格，實現結構化網格劃分后動態層模型會大大加快計算速度。局部重劃模型是在彈簧光滑模型的基礎上進行了修正，適用于網格畸變不大的地方。本例中存在著大幅度的往復運動，需要設法將運動部位網格設置為結構化網格，采取動態層模型實現動網格更新，加快計算速度和提高計算精度。

3 駐退機流場網格的劃分

駐退機網格劃分前需要對模型進行處理，去掉外部無關面，保留與流體的接觸面，刪除重合曲面，修正曲面方向，其中補償器內液體體積占用補償器一半空間，處理后的模型如圖2 所示。

圖2 ANSA 處理后流體模型

由于模型復雜，在劃分前將模型分為幾部分，分別劃分網格，結合面處考慮到流體的實際要求，采用Interior 邊界類型，實現流體的流通。后文選取其中幾種復雜結構的網格劃分進行介紹。

（1）補償器部分。如圖3 所示，采用混合網格，由于管道外壁的存在，為保證網格符合計算要求，對該部分分割為3 部分，中部與管道接觸部位為非結構化網格，兩側區域采用結構化網格。其中結構化網格和非結構化網格之間面網格相同，后文中所有交界處都需要這樣設置。

圖3 補償器部分結構化網格（左）與非結構化網格（右）

（2）彎管部分。彎管結構簡單，采用結構化網格減少網格數量，如圖4 所示。

（3）駐退桿后部連接管道部分。該區域形狀規則，由于連接所彎管網格劃分很細，為保證網格質量以及連續性，連接處采用非結構化網格，其余采用結構化網格，劃分后的圖形如圖5 所示。

圖4 彎管部分

圖5 駐退桿后部連接管道處部分

（4）活塞移動部分。區域規則,采用結構化網格，活塞環部分結構尺寸減小，為了保證四面體網格連續，需要細化表面網格。

（5）活塞環前部部分。該部分結構比較復雜，有8 個流液孔的存在，劃分網格時需要使用非結構化網格。由于需要和活塞部分連接，交界面處采用金字塔形網格，劃分后圖形如7 所示。

圖6 活塞移動部分

圖7 活塞環前部部分

（6）節制桿內槽（活門前）流液孔部分：該部位和活門相接，存在8 個流液孔，采用非結構化網格，與節制桿內腔相連的部分由于網格連續要求，采用結構化網格劃分，如圖8 所示。

（7）節制桿前側部分：節制桿前部和駐退桿內腔圍成的區域結構復雜，采用非結構化網格，內部形狀復雜面采用三角形網格，整體區域使用四面體網格。與駐退機中腔連接處采用規則網格，交界面內側體網格采用金字塔形網格劃分。具體劃分如圖9 ～11 所示。

圖8 節制桿內槽（活門前）流液孔部分

圖9 節制桿前側部分一

圖10 節制桿前側部分二

圖11 節制桿前側部分三

（8）剩余其他部分：都可以劃分結構化網格，選擇合適的結構，完成網格劃分，最終將整體模型完成網格劃分。所有模型劃分完畢之后圖形如圖12 所示。各部分網格統計見表1。

圖12 整體結構網格

表1 各部分網格情況匯總

從表1 可以看出，結構化網格（六面體）占比0.38%，占總體網格數量比例比較高，這種形式對后續仿真計算有著很大的優勢，通過FLUENT 軟件讀取后網格，檢查網格質量，該模型網格最小正交質量0.748，最大正交歪斜率0.126，最小網格體積0.092，且沒有出現負體積，認為網格質量較高，可以滿足仿真計算要求。

4 結語

本文通過ANSA軟件對某型駐退機流場進行了網格劃分，針對駐退機內部流場自身特點，盡可能多地保持流場原有特征，對活塞變截面，彎管曲折連接，狹窄流液孔，節制桿異型活門等零部件均沒有進行簡化處理，通過將復雜模型分為幾部分劃分，并選取合適的交界面，將分割后的流場連接起來，對內部流動不產生影響，增加結構化網格數量，降低模型網格的畸變率，杜絕負體積出現，減小了計算機仿真工作量和計算時間，降低了計算中斷率，為含有動網格的復雜模型網格劃分提供了參考和借鑒作用。