基于RBF插值技术的CFD/CSD非线性耦合分析方法研究

基于非结构混合网格的N-S方程求解器和结构柔度影响系数法,发展了一种考虑气动、结构非线性的基于RBF插值技术CFD/CSD耦合分析方法,适用于解决现代大展弦比飞机的非线性静气动弹性问题。该方法采用时间相关法(即求解非定常方程组,用长时间的渐近解趋于定常状态)求解静气弹分析时的定常流动。考虑大展弦比飞机结构变形问题为大变形小应力问题,在利用柔度系数法求解结构方程时,假设每次求解结构方程时应力与应变为线性关系,整体静气弹分析过程为非线性关系,因此每次求解结构方程时要更新柔度影响系数矩阵。在非定常N-S方程每求解一个时间步耦合一次结构有限元分析,由于结构有限元分析的时间相对于气动分析时间是很短的,所以这种方法实际上近似使用了一次求解非定常气动力的时间完成了整个静气动弹性分析的过程。对于气动网格与结构有限元网格不一致性,本文采用径向基函数(RBF)插值方法中的TPS方法进行结构弹性变形和气动载荷插值,采用虚功原理完成气动载荷数据交换。为了节省气弹分析时间,采用动网格方法对气动网格进行更新,本文基于RBF插值方法发展一种适用于混合网格(四面体、三棱柱、金字塔和六面体)变形的动网格方法,可以保证附面层网格的质量与分布从而准确模拟其流动。利用该方法对M6机翼、DLR-F6翼身组合体和某大型客机机翼进行了静气动弹性特性分析,结果验证了本文开发的非线性CFD/CSD耦合分析方法的可行性、精确性和高效性。     

西南某大型水电站拱肩槽边坡开挖的变形响应研究

对基于结构网格的Euler方程及N-S方程求解器和基于非结构网格的Euler方程求解 器,采用结构模态分析方法和柔度矩阵方法,对无人机大展弦比机翼在Ma=0.6, α=2?, 飞行高度20km的巡航状态下的静气动弹性特性进行了数值模 拟. 验证了两种求解器对静气动弹性模拟的准确性. 同时,对模态分析方法和柔度 矩阵方法进行了对比研究,发现柔度矩阵方法更适用于静气动弹性数值模拟. 另外, 对应用物面法向偏转方法替代网格变形技术模拟静气动弹性进行了研究,计算表明 物面法向偏转方法可以大大提高静气动弹性计算效 率和克服机翼结构变形过大时动网格技术无法处理的不足.     

静气动弹性计算方法研究

对基于结构网格的Euler方程及N-S方程求解器和基于非结构网格的Euler方程求解器,采用结构模态分析方法和柔度矩阵方法,对无人机大展弦比机翼在Ma=0.6,α=2?, 飞行高度20km的巡航状态下的静气动弹性特性进行了数值模拟. 验证了两种求解器对静气动弹性模拟的准确性. 同时,对模态分析方法和柔度矩阵方法进行了对比研究,发现柔度矩阵方法更适用于静气动弹性数值模拟. 另外,对应用物面法向偏转方法替代网格变形技术模拟静气动弹性进行了研究,计算表明物面法向偏转方法可以大大提高静气动弹性计算效率和克服机翼结构变形过大时动网格技术无法处理的不足.      

大展弦比无人机的静气弹问题计算及分析

普遍采用大展弦比机翼的无人机,其气动弹件的问题显得尤为突出.本文主要研究基于非结构弹性网格体系的欧拉方程CFD计算及其在大展弦比无人机静气动弹性问题中的应用.针对三维非结构运动网格技术进行了研究和开发,在此基础上,利用计算流体力学的方法,发展了一套具有一定通用性的、适用于非结构网格的Euler方程流场求解器,并综合上面的技术,进一步通过耦合结构力学方程,对大展弦比无人机的静气动弹性问题进行了,计算和分析.     

基于POD和代理模型的静气动弹性分析方法

静气动弹性问题考虑弹性结构与定常气动力间的相互耦合作用,对飞行器的性能和安全具有显著的影响.在现代飞行器设计阶段,计算流体力学(CFD)/计算结构力学(CSD)直接耦合方法是精确考察静气动弹性影响的重要手段.然而,基于CFD技术的气动力仿真手段在耦合过程中计算量大且耗时长,难以满足设计阶段的需求.因此,为了兼顾计算精度与效率,文章采用本征正交分解(POD)和Kriging代理模型相结合的模型降阶方法,替代CFD求解过程并耦合有限元分析(FEA)方法,建立了高效、准确的静气动弹性分析框架.相较于传统的以模态法为主的静气动弹性分析方法,该方法能够解决更为复杂的静气动弹性问题以及提供静气动弹性变形过程中的气动分布载荷.针对典型三维跨声速HIRENASD机翼模型开展的马赫数、迎角变化的算例验证表明:由建立的静气动弹性分析方法与CFD/CSD直接耦合方法计算得到机翼翼梢处的静变形量间的相对误差在5%以内;同时该方法预测静平衡位置处的气动分布载荷的误差在5%以内,静气动弹性分析的计算效率至少提升了6倍.     

考虑几何非线性的复合材料机翼气动弹性分析

本文研究结构几何非线性与气动力非平面效应对大展弦比复合材料机翼的气动弹性行为的影响．将非线性有限元法与曲面涡格法结合,计算机翼静气动弹性变形;通过曲面偶极子格网法结合静气动弹性平衡位置处的结构切线刚度,建立气动弹性方程并求解得到机翼颤振速度．针对板模型机翼,分析了迎角对机翼几何非线性气动弹性特性的影响．结果表明：本文复合材料板模型机翼的颤振形式不受水平弯曲模态影响,属于经典弯扭颤振;在几何非线性的影响下,机翼扭转频率随结构变形增大而明显减小,颤振速度随迎角增大而减小．     

计算气动弹性力学中的界面映射方法研究

非线性气动弹性体振动研究中,涉及到非线性的结构动力学和非线性的流体动力学耦合问题,在耦合边界上要满足两个系统的连续性相容条件,必须在边界处进行数据的交换。本文针对非线性气动弹性问题的计算流体动力学(CFD)和计算结构动力学(CSD)的耦合计算方法,在常体积转换法(CVT)的基础上,发展了一种耦合界面的数据映射矩阵(IMM)。该方法仅需要局部的网格信息,将耦合边界上载荷信息和位移信息的转换放在同一个映射矩阵中来处理,并且该矩阵可以通用求解CFD/CSD的耦合问题,克服了占用大量CPU时间和内存的弊端。最后将该界面映射方法应用于柔性大展弦比机翼的气动弹性计算和AGARD445.6机翼的颤振预测中,结果表明该方法能够高效、高精度地处理不同网格体系间的数据交换,并具有处理复杂非规则几何体信息转换的能力。     

考虑流固耦合效应的某飞行器力学性能分析

考虑流固耦合效应,研究了飞行器在服役状态下的力学特性。本文采用了一种基于CFD/CSD(Computational Fluid Dynamics/Computational Structure Dynamics)耦合的高精度通用静气弹求解器,该求解器可以同时分析飞行器结构的表面气动性能和结构的力学性能,对某一翼身组合体模型进行了静气弹分析,得出弹性飞行器和刚性飞行器的气动压力变化以及结构的应力分布。建模时流体和结构模型都使用翼身组合模型,且都考虑机身的影响。结果表明:发生静气弹变形后,飞行器的升力系数、阻力系数、力矩系数都相应下降;机翼翼根附近会产生较大的应力分布;当飞行器尤其是机翼表面受到弯矩、扭矩以及气动压力的共同作用时,翼根附近会出现复杂的应力分布状态。这说明在静气弹性分析中,机身的建模也是很有必要的。     

大展弦比后掠机翼静气弹效应对气动载荷的影响实验与分析

通过实验与理论分析结合的方法,针对静气弹效应对大展弦比后掠机翼气动载荷影响的问题进行了研究。加工了三副刚度各不相同的机翼,在一系列工况中进行风洞实验,对各个模型的气动载荷进行测量,通过对比可以得到机翼弹性对气动载荷的影响量。在理论分析中通过工程梁理论计算弹性机翼变形,通过升力面理论计算弹性变形引起的气动力增量,在二者之间迭代收敛后得到机翼弹性对气动载荷的影响量,并将其与实验结果进行对比。对比结果表明理论分析和实验吻合程度较好,表明了在机翼气动载荷计算中计入静气弹效应后,大展弦比后掠机翼的弯矩会有显著的降低,对于减轻结构重量有重要的意义。     

多控制面尺寸对前掠翼静气弹响应影响分析

针对多控制面尺寸对弹性前掠翼静气弹响应的影响,基于计算流体力学/计算结构力学(CFD/CSD)松耦合静气动弹性数值计算方法,计算和分析了亚声速条件下前、后缘控制面弦向和展向尺寸对前掠翼模型气动特性和弹性变形特性的影响。计算结果表明:当前缘控制面弦向尺寸增大而后缘控制面弦向尺寸减小时,升力特性在迎角变化呈现相反特性,较小迎角条件下,升力特性逐渐变差,较大迎角条件下变好;当前缘控制面弦向尺寸增大而后缘控制面尺寸减小时,较小迎角条件下弯曲变形和扭转变形减缓,而较大迎角时相反;随着前、后缘控制面展向尺寸的增大,升力系数增大,升力特性提高;当前、后缘控制面展向尺寸逐渐增大时,较小迎角条件下弯曲变形加剧,扭转变形减缓,而较大迎角条件下弯曲和扭转变形均有所减缓。计算分析得到的规律可为前掠翼飞行器的设计及优化提供有益参考。     

基于随机森林算法的非定常气动力建模研究

针对现有的非定常气动力建模方法对气动弹性预测的准确性和效率问题,将随机森林算法引入非定常气动力建模研究领域,构建了基于随机森林算法的非定常气动力降阶模型。将所得模型用于预测气动弹性,选择二维NACA0012翼型进行颤振边界的预测,选用NACA64A010翼型预测LCO特性,并说明了该降阶模型建模的详细过程,将其计算结果与CFD/CSD耦合计算结果及试验结果进行了对比。研究结果表明,该模型可行、高效且精确,可以快速准确地预测飞行器气动弹性特性。     

基于气动力降阶模型的跨音速气动弹性稳定性分析

基于离散型输入输出差分模型,运用非定常CFD方法训练信号,然后运用最小二乘方法进行参数辨识,得到降阶的非定常气动力模型,再将该离散差分模型转换为连续时间域内的状态方程。耦合气动状态方程和结构状态方程,得到耦合系统的气动弹性状态方程。求解不同动压下状态矩阵的特征值,根据根轨迹图分析系统的稳定性特性。分析结果与直接耦合CFD/CSD方法结果相吻合,可以计算跨音速非线性气动弹性问题。其计算效率比直接耦合CFD/CSD方法提高1~2个数量级。针对Isogai wing在跨音速出现的S型颤振边界进行了较为细致的分析,阐述了该现象是由于系统诱发颤振的分支随着速度(来流动压)的提高而发生转移所导致的。     

两种湍流模型时域颤振计算方法研究

采用时域计算分析方法进行了机翼跨音速颤振特性研究。在结构运动网格的基础上,采用格点格式有限体积方法进行空间离散和双时间全隐式方法进行时间推进求解雷诺平均N-S方程。针对流动粘性分别应用了SST湍流模型和SSG雷诺应力模型,通过对跨音速标模算例AGARD445.6机翼的计算结果与实验值的对比分析,其中应用SST湍流模型得到的颤振速度与实验值最为接近,特别是在跨音速段平均相对误差在3%以内;并且计算结果整体上反映了跨音速颤振"凹坑"物理特性,验证了方法的有效性。     

Evaluation of RBFs for volume data interpolation in CFD

A greedy method for choosing an optimum reduced set of control points is integrated with RBF interpolation and evaluated for the purpose of interpolating large‐volume data sets in CFD. Given a function defined at a set of points, the greedy method selects a small subset of these points that is sufficient to keep the interpolation error at all the remaining points below a chosen bound. This is equivalent to a type of data compression and would have useful storage, post‐processing, and computational applications in CFD. To test the method in terms of both the point selection scheme and the suitability of reduced control point volume interpolation, a trial application of the interpolation to velocity fields in CFD volume meshes is considered. To optimise the point selection process, and attempt to be able to capture multiple length scales, a variable support radius formulation has also been included. Structured and unstructured mesh cases are considered for aerofoils, a wing case and a wing‐body case. For smooth volume functions, the method is shown to work well, producing accurate velocity interpolations using a very small number of the cells in the mesh. For general complex fields including large gradients, the method is still shown to be effective, although large gradients require more interpolation points to be used.Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于聚合多重网格方法的跨音速颤振的数值模拟

采用流固耦合方法对跨音速颤振进行了数值模拟。流体方面在非结构网格上用有限体积方法求解了Euler方程;结构方面则求解了后掠机翼典型剖面的结构模态方程。时间推进采用双时间步长：对每一真实时间步,都通过基于聚合多重网格方法的伪时间步推进,对流体和结构方程交替迭代．得到一个稳态的流固耦合的解。文章最后给出了NACA64A010翼型剖面的跨音速颤振边界．与相关文献的计算结果符合良好。     

基于流形切空间插值的折叠翼参数化气动弹性建模

变体飞行器的气动弹性力学建模是当前先进飞行器设计的研究热点和难点.然而传统的气动弹性动力学建模方法对于具有结构参变特性的变体飞行器气动弹性力学研究存在建模效率低、计算复杂等问题.本研究提出了一种基于流形切空间插值的可折叠式变体机翼参数化气动弹性建模方法.首先,该方法建立若干个典型折叠角下的折叠翼结构有限元模型,通过流形...     

Tightly coupled aeroelastic model implementation dedicated to fast aeroelastic tailoring optimisation of high aspect ratio composite wing

This paper presents the development of a code, called GEBTAero, dedicated to very flexible aircraft (VFA) aeroelasticity and especially the evaluation of aeroelastic tailoring effect on critical speeds. GEBTAero is an open source code consisting in a tightly coupling between a geometrically exact beam theory -and a finite state induced flow unsteady aerodynamic model, including an homogenisation tool. This model has been implemented in Fortran using GEBT code and optimised open source libraries with particular focus on computation speed. Besides a non linear transient dynamic simulation capacity, a particular focus is put on the fast critical speed computation strategy using a non-iterative modal approach about the geometrically non linear deformed shape of the wing with the computation of only a few aeroelastic modes. Computation speed and accuracy of this implementation is assessed using widely used aeroelastic test cases and compared successfully to other aeroelastic codes. Configurations using aeroelastic tailoring, which are the core target of this solver, are then evaluated numerically on a representative high aspect ratio anisotropic composite wing and a simple 2-ply composite laminates with both variable ply orientations. It illustrates the strong correlation between the structural bending/twisting coupling of an unbalanced composite laminates and its critical aeroelastic speed. It also shows the high sensitivity of ply orientation on the aeroelastic behaviour.     

一种新型高鲁棒性动网格技术及其应用

首先对四元数进行李代数空间指数映射,解决了多个四元数插值问题,并结合距离倒数插值方法实现网格边界扰动向空间网格的传播,建立了新型高鲁棒性的四元数变形网格技术. 针对该型动网格技术中由于大型矩阵运算量引起的运算效率低问题,同时利用四元数方法在动网格变形中具备与物面边界高阶一致性的特点,提出了分层次变形策略,避免了面向全流场网格节点的大型矩阵运算;进一步基于无限插值技术较强的逻辑保持能力,建立了面向结构网格分层混合变形方法. 充分利用多区域重叠、对接网格变形技术中隐含的并行性,基于对等式编程思想及MPI 库函数对动网格程序进行并行化编程,建立了高效高鲁棒性的变形网格技术. 以某型客机翼身组合体气动弹性分析为范例,研究了不同方法之间的计算效率以及鲁棒性,进一步将分层混合变形网格技术应用于某型支线客机全机型架外形设计与修正,验证了所建立的新型动网格技术的高效性与鲁棒性.