[发明专利]CFD/CSD耦合求解非线性气动弹性仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于力学数值仿真。CFD/CSD耦合涉及计算流体力学、计算结构动力学和计算机程序设计技术领域。主要应用于飞行器气动弹性分析。

背景技术

气动弹性力学主要研究流场中弹性结构变形与气动力作用之间的耦合作用，这种耦合导致的飞行器的气动弹性问题，例如操纵面反转、翼面发散、抖振、颤振等动响应，轻则缩短疲劳寿命，重则毁坏飞行器。目前采用地面实验的方法解决这一类问题还不具备技术条件，因此通过数值仿真是一条节省物力劳力和快捷的实用途径，具有重要的实际应用价值。

非线性气动弹性问题中，结构场和气动场两个不同性质的物理场在耦合界面上相互作用，彼此影响。一方面，流体问题本身涉及到大量的非线性现象，如复杂湍流运动，高速运动产生的激波、激波导致的边界层分离、非定常涡脱落、运动及演化、结构变形或振动导致的非定常流体运动等；另一方面，结构问题中涉及到非线性几何大变形、弹塑性材料非线性和接触面不定的界面非线性问题等。另外，即使各自的物理场是线性的，CFD和CSD的共同界面上的不确定耦合也会引起新的非线性问题。因此，研究CFD和CSD的耦合不是这两个问题的简单叠加。通过界面上的连续性相容条件进行耦合的CFD/CSD系统是一个高度的非线性问题，处理不当会使整个系统的计算失败。

目前国内在工程领域中的气动弹性预测，主要使用现有的线性化商业软件，对于非线性气动弹性问题，只是做一些小的局部修正，没有从根本机理上加以研究。

气动弹性分析中通常有如下近似假设：

(1)机翼在其本身平面内是绝对刚硬的，因而其本身平面内的变形很小，结构小变形对气动力影响不大。在静气动弹性分析时，把非定常气动力作为不随时间变化的量来处理。气动力计算采用线性理论处理，如面元法、涡格法、活塞理论等。

(2)飞行器机翼翼根处的机身静变形非常小，因此可以认为机翼的翼根是固定支撑的。机翼各表面网格的切向平面上的面积可以用弦平面面积来表示，机翼法线方向上的变形位移也可以用竖直方向上的变形位移表示，可以应用结构线性模态的方法来处理这类问题。

显然，这些假设是典型的线性弹性系统。目前技术不能用于跨音速、超音速、高超声速柔性物体的气动弹性分析。对于具有柔性效应、大变形的结构非线性问题也不再成立。无法处理流场的非线性和结构的非线性问题。

本发明通过计算信息传输、耦合推进技术等实现了流体与固体之间的时域耦合，采用直接对计算流体动力学方程和计算结构动力学方程耦合(CFD/CSD)求解的气动弹性仿真系统是获得非线性气动弹性分析的途径。

发明内容

为了克服现有技术无法处理流场的非线性和结构的非线性问题的不足，本发明提供一种CFD/CSD耦合时域仿真方法，采用CFD/CSD松耦合的思想，通过计算信息传输和动网格技术实现了流体与固体之间的时域耦合，解决了气动非线性、结构非线性耦合的问题和几何大变形动网格问题，可应用于航空航天类飞行器非线性气动弹性分析和民用高层建筑和桥梁非线性气动弹性分析。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一：计算初始化

建立计算对象的实体模型，划分该实体模型的结构有限元网格，定义结构有限元网格的单元属性和材料特性，设置有限单元的边界条件；划分该实体模型表面气动网格和流场网格，设置计算状态(马赫数、密度、温度、飞行高度、雷诺数、姿态角、速度、时间步长和残差收敛标准)。

步骤二：非定常气动力的CFD求解

求解N-S积分方程，获取非线性非定常气动载荷，具体步骤如下：

(1)计算流场网格的面积向量和体积；

(2)确定流场计算初始状态：初始计算(n＝1)时以设置计算状态的定常流场计算的收敛值为初值，耦合求解时以n-1/2时刻的流场计算收敛值作为n+1/2时刻的计算初值；

(3)对流场网格的边界面进行边界条件(物面、对称和远场边界)赋值；

(4)选择湍流模式(Baldwin-Lomax、Spalart-Allmaras或K-ωSST)，求解粘性系数；

(5)根据CFL条件确定流场计算的当地时间步长；

(6)求解N-S积分方程的通量项。对于无粘通量项，根据计算对象、计算状态、计算效率和精度选择Jameson中心离散格式、Van Leer离散格式、通量差分分裂Roe格式或对流迎风分裂AUSMpw+格式，对于有粘通量项，利用中心差分格式即可；