关于RBF插值技术的CFDCSD非线性耦合分析方法研究.pdfVIP

第31卷第l期 计算力学学报 V01．31，No．1 2014年2月 ChineseJournalof Mechanics Computational 2014 February ==============================================一 基于RBF插值技术的CFD／CSD非线性 耦合分析方法研究 刘 艳“， 白俊强1， 华 俊2， 黄江涛1’3 (1．西北工业大学航空学院，西安710072；2．中国航空研究院，北京100012； 3．中国空气动力研究与发展中心总体技术部，绵阳621000) 摘 要：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榕 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。 关键词：N-S方程；静气动弹性；柔度系数矩阵；非线性；RBF插值方法 中图分类号：V211．3；V214．3+2文献标志码：A doi：10．7511／jslx201401021 引 言 交换在流固耦合问题中起着十分重要作用。虚功 气动弹性问题一直是飞行器设计中备受关注 原理和RBF插值技术可以很好地实现数据的准确 的问题，在飞行器设计中占有重要地位[1’2]。现代传递[5’川。 飞行器设计日益追求高速度、高机动性，使得飞行 本文通过耦合基于混合网格的N-S方程求解 器越来越呈现出轻结构和大柔性特点，相应结构的 器和结构求解方法，发展了一种基于RBF插值技 非线性、非定常空气动力的非线性给飞行设计的气 术的静气动弹性分析方法。采用时间相关算法求 动弹性问题带来了巨大挑战[3]。但是，对大展弦比 解定常流动，即通过求解非定常方程的方式求解定 机翼进行气动弹性分析时必须考虑大位移小应变 常解，用长时间的渐近解趋于定常状态[4]。对机翼 的效应，即几何非线性问题。同时，在飞行中机翼 刚性设计巡航外形进行了直接CFD计算和考虑结 由于大变形，局部剖面攻角通常较大甚至接近失速 构变形的静气动弹性分析。 的攻角，这就要求在计算中应使用非线性气动力模 型。非线性气动弹性力学的发展，主动气动弹性机 2 柔度系数法求解结构静力学方程 翼以及基于功能材料的自适应机翼等技术的出现，