李麗丹，李 聲

（中科院光電技術(shù)研究所，四川 成都 610209）

1 引 言

要確定一個(gè)飛行器的氣動特性，往往要在一個(gè)或多個(gè)風(fēng)洞中進(jìn)行各種模擬實(shí)驗(yàn)，才能獲得接近實(shí)際飛行時(shí)的飛行器的氣動特性[1]。在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，需要改變模型的姿態(tài)。模型大多采用尾部支撐方式，以減小支架對模型的影響[2]。同時(shí)為了在一次試驗(yàn)中測試各種角度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，往往需要能夠連續(xù)調(diào)整姿態(tài)的機(jī)構(gòu)以降低試驗(yàn)成本。為滿足飛行器模型支撐機(jī)構(gòu)的可靠性，還需要分析其工作時(shí)的強(qiáng)度和剛度。由于其工作于流場內(nèi)，因此該文中利用CFX和Workbench對飛行器模型支撐機(jī)構(gòu)進(jìn)行流熱固耦合仿真分析。

CFX是目前處于世界領(lǐng)先地位的CFD軟件之一[3]，廣泛用于模擬各種流體流動、傳熱、燃燒和化學(xué)反應(yīng)等問題[4]。Workbench是用Ansys求解實(shí)際問題的新一代產(chǎn)品[5]，它給Ansys的求解提供了強(qiáng)大的功能。這種環(huán)境為CAD系統(tǒng)和設(shè)計(jì)提供了全新的平臺，保證了最好的CAE結(jié)果[6]。

耦合分析包括單項(xiàng)耦合和雙項(xiàng)耦合。單項(xiàng)分析包括兩個(gè)或多個(gè)按一定順序排列的分析，每一種屬于某一物理場分析，通過將前一個(gè)分析的結(jié)果作為載荷施加到后一個(gè)分析的方式進(jìn)行耦合。雙項(xiàng)耦合分析只包含一個(gè)分析，使用包含多場自由度的耦合單元。風(fēng)洞中的風(fēng)載荷和飛行器模型支撐機(jī)構(gòu)之間的流固耦合分析中，支撐機(jī)構(gòu)的變形很小，對流體流動情況產(chǎn)生的影響很小可以忽略，因此采用單向的耦合[7]。熱-應(yīng)力分析也是間接問題，因?yàn)闊岱治龅玫降臏囟葘Y(jié)構(gòu)分析的應(yīng)變和應(yīng)力有顯著的影響，但結(jié)構(gòu)的響應(yīng)對熱分析結(jié)果沒有很大的影響，因此也采用單向耦合。

2 利用ICEM和CFX進(jìn)行外流場分析

2.1 利用ICEM劃分流場網(wǎng)格

ICEM能支持目前流行的CAD數(shù)據(jù)類型，具有強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分和先進(jìn)的網(wǎng)格編輯功能。由于模型較復(fù)雜，所以該文利用四面體加棱柱網(wǎng)格對其劃分。網(wǎng)格生成后，用戶可以通過Output選擇求解器并輸出文件。該文選擇的求解器是Ansys CFX，輸出文件格式默認(rèn)為*.CFX5。

2.2 CFX-Pre前處理

在CFX-Pre中，設(shè)置流體類型為理想氣體（Air Ideal Gas），參考壓力為1個(gè)大氣壓，由于視氣體流速為超音速，所以Heat Transfer選為Total Energy，湍流模型選為k-Epsilon。

接下來施加邊界條件。所謂邊界條件，是指求解域的邊界上所求解的變量或其一階導(dǎo)數(shù)隨地點(diǎn)及時(shí)間變化的規(guī)律。流場的解法不同，對邊界條件和初始條件的處理方式也不一樣。該文飛行器支撐機(jī)構(gòu)風(fēng)洞模擬采用穩(wěn)態(tài)求解，邊界條件如下：（1）入口：入口速度600 m/s，方向垂直與所在面，溫度恒為20℃，湍流強(qiáng)度設(shè)為中等。（2）出口：超音速。（3）固體表面：氣流與模型接觸面設(shè)為固體表面，絕熱。該面對速度、壓力使用無滑移邊界條件。（4）風(fēng)洞墻面：該面對速度、壓力使用滑移邊界條件，絕熱。

2.3 CFX-Solver求解

求解之前，設(shè)置時(shí)間步長為Auto Timescale，收斂精度為e-5。求解殘差收斂曲線如圖1所示。

圖1 殘差收斂曲線

2.4 CFX-Post后處理

CFX提供了豐富的后處理選項(xiàng)，通過后處理可以直觀地顯示出流場計(jì)算結(jié)果，圖2、圖3、圖4分別顯示的是固體表面溫度、壓力與流場馬赫數(shù)。

3 Workbench熱結(jié)構(gòu)耦合分析

熱結(jié)構(gòu)耦合采用單項(xiàng)耦合，由溫度求解得到的節(jié)點(diǎn)溫度將在結(jié)構(gòu)分析中用作體載荷。在Workbench中只使用固體模型分析。由于實(shí)際主支板有一部分處于流場之外，所以先在DM中對模型在其與流場交接處用Slice將其分割，再Form a New Part，以便對其施加CFX結(jié)果載荷。還有一點(diǎn)很重要，就是DM中模型坐標(biāo)方向要與CFX中一致，以確保Workbench能正確地從CFX中讀取結(jié)果。

熱結(jié)構(gòu)分析步驟為：穩(wěn)態(tài)熱分析——溫度場映射到結(jié)構(gòu)模型上——結(jié)構(gòu)分析。

在DM中建立好模型之后即可轉(zhuǎn)入DS分析。飛行器模型支撐結(jié)構(gòu)材料為30CrMnSi優(yōu)質(zhì)合金鋼。首先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度場分析，對模型表面加載CFX溫度結(jié)果，通過“Insert/CFX Temperature”，在“Geometry”中選擇所有與流場接觸的固體表面，然后在“CFX”中Import CFX Result File。處于流場外的主支板部分表面溫度設(shè)為22℃。最后在結(jié)果中選取“Temperature”，進(jìn)行求解。

其次，進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，在菜單欄“New Analysis”中 選 擇 “Static Structural”。 通 過“Insert/Thermal Condition”，在“Condition”中選擇“Non Uniform Condition”讀入溫度場結(jié)果，并通過“Insert/CFX Pressure”對模型加載CFX壓力載荷，在“Geometry”中選擇所有與流場接觸的固體表面，然后在“CFX”中Import CFX Result File。同時(shí)固定主支板底面。最后在結(jié)果中選擇應(yīng)力和變形，進(jìn)行求解。求解結(jié)果如圖5和圖6所示。

4 結(jié)束語

圖2 固體表面溫度

圖3 固體表面壓力

圖4 固體周圍流場馬赫數(shù)

利用Ansys CFX和Workbench軟件，研究了超音速風(fēng)洞中飛行器模型支撐機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。首先在CFX中進(jìn)行外流場分析，再將得到的固體表面溫度和壓力導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)了流熱固耦合仿真分析。從分析結(jié)果可以看到，最大應(yīng)力為267.4MPa，小于材料的極限應(yīng)力。主支板的變形也符合設(shè)計(jì)要求。該方法可以大大提高數(shù)值仿真效率，對CAE工程分析人員具有很大的借鑒意義，同時(shí)也給CAD設(shè)計(jì)人員對局部大應(yīng)力部分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)提供了指導(dǎo)。

圖5 模型支撐機(jī)構(gòu)應(yīng)力圖

圖6 主支板變形

[1] 范潔川.世界風(fēng)洞[M].北京：航天工業(yè)出版社，1992.

[2]董培濤，吳學(xué)忠.一種三自由度模型姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)的正反解分析[J].國防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26（2）：84-88.

[3] Patankar S V，Spalding D B.A calculation procedure for heat，mass，and momentum transfer in three-dimensional parabolic flows[J].International Journal of Heat and Transfer，1972（15）：1787-1806.

[4]王福軍.計(jì)算流體力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[5]Moaveni S.有限元分析——Ansys理論與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[6] 李 兵，陳雪峰.Anays Workbench設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[7] 婁 淘.基于Ansys的流固耦合問題數(shù)值模擬[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2008.