[发明专利]一种气动载荷与结构有限元模型双向传递方法

说明书

一种气动载荷与结构有限元模型双向传递方法，属于飞机结构强度技术领域，包括如下步骤：一、构建结构模型，划分气动网格；二、提取气动网格的网格点，构建气动表面点到结构单元的MPC；三、N‑S方程计算气动表面点的节点力；四、通过MPC，采用虚功原理将节点力加载到结构有限元模型，利用Nastran线性或非线性求解序列进行结构计算得到结构点位移；五、通过MPC计算得到气动表面点的位移，采用弹性变形技术生成新的气动网格；六、重复步骤三至五，直至收敛，得到结构模型的气动特性。该方法效率高，适合处理复杂的流/固体数据传递、大型数据插值问题。

技术领域

本申请属于飞机结构强度技术领域，特别涉及一种基于多点约束的气动载荷与结构有限元模型双向传递方法。

背景技术

对于气动与结构间载荷位移传递方法，早在1970年Harder和Desmarais提出了无限平板样条(IPS)插值方法，该方法基于无限平板的载荷位移偏微分平衡方程和虚功原理推导得出，IPS方法计算简单且可同时实现载荷与位移的传递，但其应用范围仅限于二维问题。随后Appa将IPS插值方法改进为薄板样条插值(TPS)方法，TPS方法有效实现了三维梁静气弹计算中载荷位移传递。2001年Goura等人提出了一种常体积转换(CVT)方法，其基本假设为结构变形前后气动节点在结构三角形内的面积坐标保持不变，由结构节点和气动节点组成的四面体的体积在变形过程中也守恒，这样就可根据结构位移变形计算得出气动节点的位移，徐敏等通过面积因子限制提出了对该法的修正形式(ICVT)，解决了变形畸形过渡时，CVT方法气动网格质量较差甚至出现负体积等问题。CVT方法只限于两种网格间的位移传递，对载荷传递并不适用，这限制了它的应用面。与此类似的还有2003年徐敏等受有限元四边形单元形函数启发提出的一种有限元四节点(FEFN)插值方法，该方法计算简单，计算量小，但也仅适合于气动与结构网格间的位移插值使用。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本申请的目的是提供一种气动载荷与结构有限元模型双向传递方法，以解决上述问题，实现气动载荷、结构位移数据双向传递的同时，提高数据高精度传递。

本申请的技术方案是：

一种气动载荷与结构有限元模型双向传递方法，包括如下步骤：

一、构建结构模型，划分气动网格；

二、提取所述气动网格的网格点，构建气动表面点到结构单元的MPC，所述MPC指所述气动表面点与所述结构单元内的结构点的位移与力的关系函数；

三、N-S方程计算所述气动表面点的节点力；

四、利用MPC将所述节点力加载到结构有限元模型，利用Nastran线性或非线性求解序列进行结构计算得到结构点位移；

五、通过MPC计算得到所述气动表面点的位移，采用弹性变形技术生成新的气动网格；

六、重复步骤三至五，直至收敛，得到所述结构模型的气动特性。

根据本申请的至少一个实施方式，所述结构模型为考虑弯曲和扭转的梁模型。

根据本申请的至少一个实施方式，所述步骤三中，利用N-S方程通过有限体积法求解梁气动表面点的节点力：

其中，Ω是控制体；δΩ是Ω的边界；dS是δΩ的面积矢量；W，F_c，F_v分别为守恒量、对流项和黏性项。

根据本申请的至少一个实施方式，所述步骤四包括，将所述气动节点力以节点力的行形式通过MPC加载到有限元模型上。

根据本申请的至少一个实施方式，所述步骤四包括：

获得结构点的变形；