高超声速飞行器复杂特性多分辨率建模与多场耦合实时仿真方法研究

The VP (Virtual Prototyping) modeling of hypersonic vehicles is a typical complex multi-disciplinary problem and the solution of multi-physical field coupling characteristics is one of the unavoidable difficulties. It is especially challenging to implement the real-time simulation reflecting the multi-physical field coupling effect. In this project, oriented at the overall design and effectiveness evaluation of hypersonic vehicles, research on multi-resolution modeling and multi-field coupling real-time simulation method will be conducted to meet the requirements of rapid analysis and simulation. Intensive study will be carried on on a multiple geometry dimension and multi-resolution M&S (Modeling and Simulation) framework, the real-time multi-physics coupling solving method, the complex multi-discipline modeling methodology, and the multi-resolution modeling scheduling under multi-task scenarios. So that a M&S technical system for the complex characteristics of hypersonic vehicles can be set up to support a complete process from generating geometry data, performance analysis, virtual test to effectiveness evaluation and a set of multi-resolution dynamics VP model describing complex characteristics involving aerodynamic, aerodynamic heat, structure, propulsion, electromagnetic and infrared radiation can be used for the continuous dynamic process simulation with adaptive scheduling of the multi-resolution VP models. The study can provide effective technical support for the parametric digital/semi-physical real-time simulation and the operational effectiveness analysis under complex environment during the overall design process of hypersonic vehicles.

高超声速飞行器虚拟样机建模是典型的复杂多学科交叉问题，多物理场耦合特性求解是不可回避的难点，多场耦合实时仿真尤其具有挑战。本课题面向高超声速飞行器总体设计和效能评估，建立可实时求解的多物理场耦合整机模型以满足快速分析与仿真需求，深入开展复杂特性多分辨率建模与多场耦合实时仿真方法研究。通过对高超声速飞行器跨维度多分辨率建模与仿真框架，实时多物理场耦合求解方法，复杂特性建模方法以及面向多任务场景的多分辨率模型实时仿真方法开展研究，建立一套支持几何生成、性能分析、虚拟试验和效能评估的高超声速飞行器复杂特性建模仿真技术体系和一套包括气动、气动热、结构、动力、电磁、红外复杂特性的多分辨率动力学虚拟样机模型，支持从几何数据建立、虚拟试验到效能评估的完整仿真流程和多分辨率模型自适应调度的连续动态过程仿真，从而为总体设计阶段的参数化全数字/半实物实时仿真以及复杂对抗环境下作战效能分析提供有效的技术支撑。

本课题为满足高超声速飞行器总体设计和效能评估阶段快速分析需求，建立了一套支持几何生成、性能分析、虚拟试验和效能评估的高超声速飞行器复杂特性建模仿真技术体系和面可实时求解的多物理场耦合整机模型，实现多分辨率模型自适应调度的连续动态过程仿真。.本课题首先建立了高超声速飞行器跨维度、多物理场、多分辨率建模与仿真框架，提出场-状态迭代模型表示物理场与模型状态的耦合关系，定量分析了几何物理场维度和分辨率的关系和场-状态迭代效率的影响因素；然后，形成融合NURBS和T样条技术的几何数据模型以及多物理场网格适配校准和异构网格插值算法，为多物理场耦合实时解算提供几何数据基础；接下来建立了一种基于流水线方式的高超声速飞行器实时多物理场耦合求解方法和面向多物理场耦合的两种高效近似求解算法，以支持多学科耦合实时仿真和百万体网格工况数据模型的毫秒级调用；建立气动、热、结构、动力、电磁、红外等典型学科复杂特性模型，实现飞行器飞行状态和流热固耦合物理场不断迭代更新和实时演化；最后建立面向多任务场景的多分辨率模型实时仿真方法，调度不同分辨率模型完成多物理场耦合解算的平均用时为毫秒级，通过与已有试飞数据的对比，验证了方法的适应性与有效性，突破了复杂装备模型解算逼真度和运行性能权衡难题。.和其他多物理场耦合研究相比，本方法通过场-状态循环实现飞行器飞行状态和流热固耦合物理场不断迭代更新，形成实时的动态演化过程，为总体设计阶段的参数化全数字/半实物实时仿真以及复杂对抗环境下作战效能分析提供有效的技术支撑。作为“复杂体系仿真实验与评估关键技术及应用”成果的重要组成部分，获得中国电子学会科技进步二等奖，关键技术在“火箭军全数字仿真通用平台项目”、某部队“模拟仿真系统”等多个重点项目中已得到推广和应用，未来可以进一步服务于面向复杂装备体系顶层设计、装备指标验证优化、作战方案推演和决策指挥训练等应用方向。