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基于MPCCI的流固耦合机翼气动弹性分析
2013年8月8日    评论:    分享:

    来源:北京海基嘉盛科技发展有限责任公司

    1 问题陈述

    机翼绕流问题是流固耦合中的经典问题。以前由于缺乏考虑流固耦合的软件,传统的分析方法是将机翼视为刚体,不考虑其弹性变形,通过CFD软件来计算机翼附近的流场。这个强硬的假设很难准确的描述流场的实际情况。更无法预测机翼的振动。MPCCI是基于代码耦合的并行计算接口,它可以同时调用结构和流体的软件来实现流固耦合。我们通过MPCCI,能很好的预测真实情况下的机翼绕流问题。采用ABAQUS结构分析软件来求解结构在流畅作用下的变形和应力分布,通过Fluent软件来计算由于固体运动和变形对整个流场的影响。

    2 模拟过程分析顺序

    MpCCI的图形用户界面 可以方便的读入结构和流体的输入文件。后台调用ABAQUS和FLUENT。在MPCCI耦合面板中选择耦合面,然后选择在相应耦合面上流体和固体需要交换的量。启动MpCCI进行耦合。

    3 边界条件设置

基于MPCCI的流固耦合机翼气动弹性分析
图1 无人机模型和流体计算模型

    结构部分单个机翼跨度在1.5m左右,厚度为0.1m左右。边界条件为机翼端部的固定,三个方向的位移完全固定,另一端完全自由。在固体中除了固定端的面外,其他三个面为耦合面。流体部分采用四面体网格,采用理想气体作为密度模型。流体的入口和出口以及对称性边界条件如下图所示。

基于MPCCI的流固耦合机翼气动弹性分析
图2 固体有限元模型

    4 计算方法的选择

    通过结合ABAQUS和FLUENT,使用MPCCI计算流固耦合。在本例中,固体在流场作用下产生很大的变形和运动。在耦合区域,固体结构部分计算耦合面上的节点位移,通过MPCCI传输给FLUENT的耦合界面,FLUENT 计算出耦合区域上的节点力载荷,然后通过MPCCI传给结构软件ABAQUS。在MPCCI的耦合面板中选择的耦合面如图所示,交换量为:节点位移、相对受力。采用ABAQUS中的STANDARD算法,时间增量步长为0.1毫秒。

    5 计算结论

    通过MPCCI结合ABAQUS和FLUENT,成功地计算在几何非线性条件下的气动弹性问题,得到了整个流体区域的流场分布以及结构的动态响应历程。

基于MPCCI的流固耦合机翼气动弹性分析
图3 不同时刻的机翼变形

    节流阀流固耦合

  
    阀耐实验有限公司的流体流动阀模拟(几何模型和试验值由Vernay Laboratories提供)

    世界最领先的阀门公司Vernay公司,应用MpCCI结合ABAQUS和FLUENT对气阀进行优化设计。设计目标为:在定制的工程阀上,要求在变化的入口压力条件下得到恒定的流量输出。

    气阀的工作原理:在变压的入口,气流作用在阀门口的超弹性材料上,随着入口压力的增大,超弹性材料,产生很大的变形,从而逐渐缩小入口口径,这样保证通过气阀的流量是一定的。示意如下图:

基于MPCCI的流固耦合机翼气动弹性分析
Under low pressure Under high pressure
图4流动控制阀刨面

    实际几何结构和模型如下所示

基于MPCCI的流固耦合机翼气动弹性分析
(a)                                              (b)
图5 气阀耦合计算结构和模型

    固体部分材料是超弹性材料,变形存在很大的非线性,采用ABAQUS作为流固耦合的固体耦合软件,采用C3D8RH杂交减积分单元,单元数大约是22000个。橡胶气阀部分和外边界采用有限滑移摩擦(Finite-sliding frictional contact)。流体部分采用FLUENT软件作为耦合的流体计算软件,采用标准的k-ε 模型,四面体单元,单元数大约在233000个单元。

    通过试验值和数值模拟值得比较可以,MpCCI集合ABAQUS和FLUENT有很好的预测效果。

基于MPCCI的流固耦合机翼气动弹性分析
图6 流量和入口压力关系曲线

    为此,得到阀耐公司的高度评价, “Vernay是ABAQUS的长期客户。当流体流动扮演重要作用时与流体的耦合分析将排除传统的反复切割实验的方法来开发新产品”。

    滑翔机机翼的空气动力学研究

基于MPCCI的流固耦合机翼气动弹性分析
图7 滑翔机结构

    采用的模型是DG-1000 滑翔机机翼。Zentrum für Strukturtechnologien, ETH Zürich 最

    先采用采用了小变形线弹性模拟了这个模型,采用MpCCI模拟大变形对气流场的影响。

    模拟的目标:决定不同的机翼设计对气动性能的影响。

    DG-1000 滑翔机机翼具有大的机翼跨度和机身长度,机翼跨度是20米。结构性能是柔性、低阻尼。在计算分析中采用三种不同前倾斜角分别为-1度,-5度和-10度,如下图所示

基于MPCCI的流固耦合机翼气动弹性分析
Dehning, C., P. Post, C. Rumpler, K. Wolf, C. Ledermann, F. Hurlimann,
P. Ermanni, “Fluid-Strukturkopplungen mit MpCCI,” 2004
图8三种不同的前倾角度

    由于机翼的扭转响应将随着前倾角变化而改变在机翼周围的流体流动,因此将改变其空气动力学性能。

    在模拟过程中,固体耦合软件采用ABAQUS有限元软件,采用S4/S3单元,总的单元数为37000个。考虑材料的大变形,线弹性复合材料。流体采用FLUENT为耦合的流体计算软件,采用了723000个四面体单元,流场为不可压层流。结论的比较如下所示

    Aerodynamic forces at 140 km/h

基于MPCCI的流固耦合机翼气动弹性分析
图9 计算结果对比

    分析表明,结构的变形对载荷重新分布影响很大,非线性因素在这里扮演了关键角色。

标签:MPCC气动飞机工业
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