兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (7): 2197-2208.doi: 10.12382/bgxb.2023.0127
季稳1,2, 李春娜1,2,*(), 贾续毅1,2, 王刚3, 龚春林1,2
收稿日期:
2023-02-26
上线日期:
2023-07-13
通讯作者:
基金资助:
JI Wen1,2, LI Chunna1,2,*(), JIA Xuyi1,2, WANG Gang3, GONG Chunlin1,2
Received:
2023-02-26
Online:
2023-07-13
摘要:
计算流体动力学与刚体动力学(Computational Fluid Dynamics and Rigid Body Dynamics,CFD/RBD)耦合仿真是旋转弹飞行性能评估的常用方法之一,但由于需要进行大量CFD计算,该方法效率较低。建立一个高效、精确且泛化能力强的气动力模型并以之替代耦合仿真中的CFD模块,可以大幅度提升仿真效率。针对前述旋转弹气动力建模问题,提出一种结合系统辨识和迁移学习的建模方法。给定旋转弹运动初始条件并采用CFD/RBD耦合仿真获得样本,采用自回归滑动平均方法建立原始气动力模型,同时采用长短时记忆网络建立状态预测模型。当初始条件变化不大时,原始气动力模型仍然适用;当初始条件发生较大改变时,利用迁移学习将状态预测模型迁移到该初始条件下,并预测相应初始条件下的状态参数,基于预测得到的状态参数,采用自回归滑动平均方法建立气动力模型。算例结果表明:所提方法适用于初始转速和俯仰角变化较大时对旋转弹气动力的精确建模;与直接以CFD/RBD耦合仿真结果为样本、采用自回归滑动平均方法建模相比,在精度相同时建模时间缩短了一半。
中图分类号:
季稳, 李春娜, 贾续毅, 王刚, 龚春林. 结合系统辨识和迁移学习的高速旋转弹气动力建模方法[J]. 兵工学报, 2024, 45(7): 2197-2208.
JI Wen, LI Chunna, JIA Xuyi, WANG Gang, GONG Chunlin. A High-spinning Projectile Aerodynamic Modeling Method Combining System Identification and Transfer Learning[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(7): 2197-2208.
方向 | 位置/m | 速度/ (m·s-1) | 姿态角/ (°) | 角速度/ (rad·s-1) |
---|---|---|---|---|
x | 4.593 | 1030.81 | 0 | 2518.39 |
y | -0.2 | 22.064 | 5 | -52.802 |
z | -0.159 | 86.278 | 1.317 | 22.233 |
表1 仿真初始条件
Table 1 Initial conditions of coupled CFD/RBD simulation
方向 | 位置/m | 速度/ (m·s-1) | 姿态角/ (°) | 角速度/ (rad·s-1) |
---|---|---|---|---|
x | 4.593 | 1030.81 | 0 | 2518.39 |
y | -0.2 | 22.064 | 5 | -52.802 |
z | -0.159 | 86.278 | 1.317 | 22.233 |
初始转速/ (rad·s-1) | 误差 | 力 | 力矩 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Fx | Fy | Fz | Mx | My | Mz | ||
2518.39 | δRMSE | 0.0271 | 0.0357 | 0.0325 | 0.0003 | 0.0009 | 0.0009 |
δMAPE | 0.09% | 3.35% | 0.5% | 2.15% | 0.95% | 3.45% | |
2100 | δRMSE | 0.0413 | 0.0438 | 0.0453 | 0.0004 | 0.0012 | 0.0014 |
δMAPE | 0.14% | 4.59% | 0.52% | 3.22% | 0.53% | 4.49% | |
2 900 | δRMSE | 0.0471 | 0.0583 | 0.0596 | 0.0006 | 0.0014 | 0.0016 |
δMAPE | 0.17% | 6.82% | 0.68% | 4.88% | 0.62% | 1.95% | |
2 000 | δRMSE | 0.0352 | 0.0402 | 0.0379 | 0.0004 | 0.001 | 0.0013 |
δMAPE | 0.12% | 10.29% | 0.86% | 7.78% | 1.49% | 11.58% | |
3 000 | δRMSE | 0.0258 | 0.0463 | 0.0422 | 0.0004 | 0.0011 | 0.0011 |
δMAPE | 0.09% | 11.11% | 1.45% | 6.27% | 1.07% | 10.16% | |
1 800 | δRMSE | 0.0331 | 0.0514 | 0.0494 | 0.0003 | 0.0013 | 0.0017 |
δMAPE | 0.11% | 21.31% | 1.24% | 2.97% | 0.89% | 21.98% |
表2 不同初始转速下NCarma建模误差
Table 2 Modeling errors of NCarma at different initial angular velocities
初始转速/ (rad·s-1) | 误差 | 力 | 力矩 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Fx | Fy | Fz | Mx | My | Mz | ||
2518.39 | δRMSE | 0.0271 | 0.0357 | 0.0325 | 0.0003 | 0.0009 | 0.0009 |
δMAPE | 0.09% | 3.35% | 0.5% | 2.15% | 0.95% | 3.45% | |
2100 | δRMSE | 0.0413 | 0.0438 | 0.0453 | 0.0004 | 0.0012 | 0.0014 |
δMAPE | 0.14% | 4.59% | 0.52% | 3.22% | 0.53% | 4.49% | |
2 900 | δRMSE | 0.0471 | 0.0583 | 0.0596 | 0.0006 | 0.0014 | 0.0016 |
δMAPE | 0.17% | 6.82% | 0.68% | 4.88% | 0.62% | 1.95% | |
2 000 | δRMSE | 0.0352 | 0.0402 | 0.0379 | 0.0004 | 0.001 | 0.0013 |
δMAPE | 0.12% | 10.29% | 0.86% | 7.78% | 1.49% | 11.58% | |
3 000 | δRMSE | 0.0258 | 0.0463 | 0.0422 | 0.0004 | 0.0011 | 0.0011 |
δMAPE | 0.09% | 11.11% | 1.45% | 6.27% | 1.07% | 10.16% | |
1 800 | δRMSE | 0.0331 | 0.0514 | 0.0494 | 0.0003 | 0.0013 | 0.0017 |
δMAPE | 0.11% | 21.31% | 1.24% | 2.97% | 0.89% | 21.98% |
初始俯仰 角/(°) | 误差 | 力 | 力矩 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Fx | Fy | Fz | Mx | My | Mz | ||
5 | δRMSE | 0.0271 | 0.0357 | 0.0325 | 0.0003 | 0.0009 | 0.0009 |
δMAPE | 0.09% | 3.35% | 0.5% | 2.15% | 0.95% | 3.45% | |
4 | δRMSE | 0.0414 | 0.0557 | 0.0534 | 0.0005 | 0.0013 | 0.0013 |
δMAPE | 0.15% | 1.82% | 0.68% | 4.48% | 0.41% | 1.73% | |
6 | δRMSE | 0.0814 | 0.0676 | 0.0761 | 0.0009 | 0.0016 | 0.0015 |
δMAPE | 0.31% | 4.65% | 1.01% | 5.64% | 0.27% | 1.18% | |
2 | δRMSE | 0.0807 | 0.1041 | 0.3602 | 0.0009 | 0.0163 | 0.0029 |
δMAPE | 0.29% | 1.97% | 5.96% | 17.70% | 8.47% | 1.79% | |
3 | δRMSE | 0.0779 | 0.099 | 0.3412 | 0.0008 | 0.0159 | 0.0027 |
δMAPE | 0.28% | 2.71% | 16.97% | 19.90% | 10.63% | 2.58% | |
7 | δRMSE | 0.1242 | 0.0800 | 0.1503 | 0.0023 | 0.0030 | 0.0016 |
δMAPE | 0.43% | 9.23% | 0.74% | 8.72% | 1.66% | 1.71% |
表3 不同初始俯仰角下NCarma建模误差
Table 3 Modeling errors of NCarma at different initial pitch angles
初始俯仰 角/(°) | 误差 | 力 | 力矩 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Fx | Fy | Fz | Mx | My | Mz | ||
5 | δRMSE | 0.0271 | 0.0357 | 0.0325 | 0.0003 | 0.0009 | 0.0009 |
δMAPE | 0.09% | 3.35% | 0.5% | 2.15% | 0.95% | 3.45% | |
4 | δRMSE | 0.0414 | 0.0557 | 0.0534 | 0.0005 | 0.0013 | 0.0013 |
δMAPE | 0.15% | 1.82% | 0.68% | 4.48% | 0.41% | 1.73% | |
6 | δRMSE | 0.0814 | 0.0676 | 0.0761 | 0.0009 | 0.0016 | 0.0015 |
δMAPE | 0.31% | 4.65% | 1.01% | 5.64% | 0.27% | 1.18% | |
2 | δRMSE | 0.0807 | 0.1041 | 0.3602 | 0.0009 | 0.0163 | 0.0029 |
δMAPE | 0.29% | 1.97% | 5.96% | 17.70% | 8.47% | 1.79% | |
3 | δRMSE | 0.0779 | 0.099 | 0.3412 | 0.0008 | 0.0159 | 0.0027 |
δMAPE | 0.28% | 2.71% | 16.97% | 19.90% | 10.63% | 2.58% | |
7 | δRMSE | 0.1242 | 0.0800 | 0.1503 | 0.0023 | 0.0030 | 0.0016 |
δMAPE | 0.43% | 9.23% | 0.74% | 8.72% | 1.66% | 1.71% |
方法 | 误差 | 力 | 力矩 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Fx | Fy | Fz | Mx | My | Mz | ||
TL-ARMA | δRMSE | 0.01 | 0.011 | 0.0466 | 0.0002 | 0.0019 | 0.0004 |
δMAPE | 0.03% | 5.74% | 0.96% | 1.53% | 1.09% | 4.78% | |
ARMA | δRMSE | 0.0193 | 0.0156 | 0.022 | 0.0004 | 0.0007 | 0.0006 |
δMAPE | 0.06% | 6.47% | 0.54% | 4.66% | 0.44% | 5.42% | |
δRMSE | 0.0331 | 0.0514 | 0.0494 | 0.0003 | 0.0013 | 0.0017 | |
δMAPE | 0.11% | 21.31% | 1.24% | 2.97% | 0.89% | 21.98% |
表4 初始转速1800rad/s不同方法对应的模型误差对比
Table 4 Comparison of model errors corresponding to different methodsat theinitial of 1800rad/s
方法 | 误差 | 力 | 力矩 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Fx | Fy | Fz | Mx | My | Mz | ||
TL-ARMA | δRMSE | 0.01 | 0.011 | 0.0466 | 0.0002 | 0.0019 | 0.0004 |
δMAPE | 0.03% | 5.74% | 0.96% | 1.53% | 1.09% | 4.78% | |
ARMA | δRMSE | 0.0193 | 0.0156 | 0.022 | 0.0004 | 0.0007 | 0.0006 |
δMAPE | 0.06% | 6.47% | 0.54% | 4.66% | 0.44% | 5.42% | |
δRMSE | 0.0331 | 0.0514 | 0.0494 | 0.0003 | 0.0013 | 0.0017 | |
δMAPE | 0.11% | 21.31% | 1.24% | 2.97% | 0.89% | 21.98% |
方法 | 样本计算时间 | 建模时间 | 总时间 |
---|---|---|---|
TL-ARMA | 3h56min | 10min23s | 约4h6min |
ARMA | 9h51min | 9h51min |
表5 不同方法建模所需时间对比
Table 5 Comparison of modeling times for different methods
方法 | 样本计算时间 | 建模时间 | 总时间 |
---|---|---|---|
TL-ARMA | 3h56min | 10min23s | 约4h6min |
ARMA | 9h51min | 9h51min |
方法 | 误差 | 力 | 力矩 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Fx | Fy | Fz | Mx | My | Mz | ||
TL-ARMA | δRMSE | 0.0162 | 0.0166 | 0.0211 | 0.0002 | 0.001 | 0.0008 |
δMAPE | 0.05% | 0.44% | 0.23% | 7.29% | 0.25% | 0.61% | |
ARMA | δRMSE | 0.0232 | 0.0253 | 0.0727 | 0.0004 | 0.0025 | 0.0007 |
δMAPE | 0.08% | 0.57% | 0.96% | 8.69% | 0.63% | 0.53% | |
δRMSE | 0.0807 | 0.1041 | 0.3602 | 0.0009 | 0.0163 | 0.0029 | |
δMAPE | 0.29% | 1.97% | 5.96% | 17.70% | 8.47% | 1.79% |
表6 初始俯仰角为2°时不同方法对应的模型误差对比
Table 6 Comparison of model errors corresponding to different methodsat the initial θ of 2°
方法 | 误差 | 力 | 力矩 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Fx | Fy | Fz | Mx | My | Mz | ||
TL-ARMA | δRMSE | 0.0162 | 0.0166 | 0.0211 | 0.0002 | 0.001 | 0.0008 |
δMAPE | 0.05% | 0.44% | 0.23% | 7.29% | 0.25% | 0.61% | |
ARMA | δRMSE | 0.0232 | 0.0253 | 0.0727 | 0.0004 | 0.0025 | 0.0007 |
δMAPE | 0.08% | 0.57% | 0.96% | 8.69% | 0.63% | 0.53% | |
δRMSE | 0.0807 | 0.1041 | 0.3602 | 0.0009 | 0.0163 | 0.0029 | |
δMAPE | 0.29% | 1.97% | 5.96% | 17.70% | 8.47% | 1.79% |
方法 | 样本计算时间 | 建模时间 | 总时间 |
---|---|---|---|
TL-ARMA | 4h50min | 13min37s | 约5h3min |
ARMA | 9h40min | 9h40min |
表7 不同方法建模所需时间对比
Table 7 Comparison of modeling times for different methods
方法 | 样本计算时间 | 建模时间 | 总时间 |
---|---|---|---|
TL-ARMA | 4h50min | 13min37s | 约5h3min |
ARMA | 9h40min | 9h40min |
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