邱福生，趙海洋，任延岫

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽(yáng) 110136)

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基于ANSYS-Workbench的飛機(jī)副翼轉(zhuǎn)動(dòng)流固耦合分析

邱福生，趙海洋，任延岫

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽(yáng) 110136)

副翼是飛機(jī)機(jī)翼的重要組成部分，其周圍氣體流動(dòng)對(duì)飛機(jī)翻轉(zhuǎn)起著重要作用。對(duì)多場(chǎng)求解器MFS和MFX數(shù)據(jù)的交換方式進(jìn)行了研究和對(duì)比分析，并介紹了實(shí)現(xiàn)流固耦合分析的多種方式。采用有限元軟件ANSYS-Workbench 的雙向流固耦合分析系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)副翼轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的氣體流動(dòng)進(jìn)行分析。通過(guò)分析得到了不同時(shí)刻下副翼轉(zhuǎn)動(dòng)氣動(dòng)特性，有效避免副翼反效和提高副翼效率，為提高飛機(jī)的操縱性能提供依據(jù)。

ANSYS；副翼轉(zhuǎn)動(dòng)；流固耦合；數(shù)據(jù)交換方式

流固耦合在各個(gè)領(lǐng)域都有十分重要的應(yīng)用。由于耦合分析領(lǐng)域較廣，分析起來(lái)較困難，所以前人很少做耦合分析。但隨著對(duì)計(jì)算精度要求的不斷提高，各類計(jì)算軟件的發(fā)展，尤其是ANSYS的發(fā)展，使得耦合分析變得簡(jiǎn)單。

自1981年 Zienkiewicz教授在英國(guó)召開(kāi)了第一屆和第二屆有關(guān)耦合分析問(wèn)題的學(xué)術(shù)會(huì)議以來(lái)，這類問(wèn)題得到了一定的重視，尤其近幾年有了飛躍式的發(fā)展。2001年Zhang[1]在解決屈曲和大變化流場(chǎng)的問(wèn)題中應(yīng)用了ALE方法；次年 Hubener[2]對(duì)二維膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了耦合模擬；2003年GLUCK[3-4]將輕型結(jié)構(gòu)數(shù)值分析方法成功應(yīng)用于膜性結(jié)構(gòu)和柔殼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題中；Stein[5]為解決復(fù)雜幾何及大位移問(wèn)題提出SEMMT方法；2004年P(guān)aulo[6]用有限元程序?qū)Υ髽蚩缰袛嗝孢M(jìn)行了流固耦合模擬，得到了較好的結(jié)果；2005年Teixeira[7]提出有限元分區(qū)算法并解決了非剛性板殼結(jié)構(gòu)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)對(duì)流固耦合的認(rèn)識(shí)和研究稍晚一些，但是效果顯著。2004年郭術(shù)義、陳舉華對(duì)流固耦合的國(guó)內(nèi)外發(fā)展給予綜述性介紹[8]；同年徐敏針對(duì)流固耦合交界面數(shù)據(jù)傳遞問(wèn)題提出改進(jìn)的CTV方法[9]；2006年黃旌、高濤利用APDL編程簡(jiǎn)化復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模問(wèn)題[10];2008年馬鵬、豐家輝等人通過(guò) ANSYS 分析得到了風(fēng)機(jī)葉片的升阻比和變形情況[11]；尹文明、任勇生利用 ANSYS 解決機(jī)翼復(fù)合材料的模態(tài)問(wèn)題[12]；2009年劉志遠(yuǎn)、鄭源等利用CFX計(jì)算了風(fēng)輪的單向結(jié)構(gòu)耦合問(wèn)題，并對(duì)每個(gè)過(guò)程進(jìn)行了介紹[13]。

隨著ANSYS-Workbench的誕生，使得耦合分析變得簡(jiǎn)單，多場(chǎng)分析成為可能，也使各個(gè)軟件之間實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫接口。但是介紹如何利用Workbench進(jìn)行流固耦合分析的文章還不夠系統(tǒng)。因此本文利用ANSYS-Workbench對(duì)飛機(jī)副翼轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行流固耦合分析，對(duì)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)的設(shè)計(jì)具有實(shí)際應(yīng)用的意義。

1 ANSYS流固耦合面的數(shù)據(jù)傳遞

ANSYS提供了兩個(gè)多場(chǎng)求解器，分別是MFS和MFX。這兩種多場(chǎng)求解器還各帶有兩種插值方法，所以無(wú)論是結(jié)構(gòu)網(wǎng)格還是非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，ANSYS的多場(chǎng)求解器都能很好地完成數(shù)據(jù)交換。一般情況下，一次完整的數(shù)據(jù)傳遞需要進(jìn)行兩次映射操作，即傳遞位移變量和傳遞應(yīng)力變量，如圖1所示。

ANSYS多場(chǎng)求解器MFS提供Profile Preserving插值方法和Globally Conservative插值方法。Profile Preserving插值法是主動(dòng)式傳遞方式，即數(shù)據(jù)接收端向數(shù)據(jù)發(fā)射端發(fā)出信號(hào)來(lái)獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是在發(fā)射端進(jìn)行處理完成插值。Globally Conservative插值法是被動(dòng)式傳遞方式，即數(shù)據(jù)發(fā)射端主動(dòng)向數(shù)據(jù)接收端傳遞數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是在接收端進(jìn)行處理完成插值的。

圖1 流固耦合的網(wǎng)格映射關(guān)系圖

多場(chǎng)求解器MFS所提供的兩種插值方法的出發(fā)點(diǎn)和原理大不相同，所以結(jié)果也有很大差別。Profile Preserving插值法如圖2(a)所示，不適合應(yīng)用在傳遞力、熱通量等這樣的數(shù)據(jù)，在傳遞這些數(shù)據(jù)時(shí)兩端可能不守恒；Globally Conservative插值法如圖2(b)所示，能保證總體守恒但是在局部也有類似的缺陷。在通常情況下，對(duì)于力、熱通量這樣的數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際情況和具體要求進(jìn)行選擇，但是對(duì)于在整體上守恒不是很有意義的量如位移、溫度通常采用Profile Preserving插值法。

圖2 求解器MFS數(shù)據(jù)傳遞示意圖

同樣ANSYS多場(chǎng)求解器MFX提供Profile Preserving插值方法和Conservative插值方法。多場(chǎng)求解器MFX和MFS中的Profile Preserving插值方法是相同的。Conservative插值方法是相對(duì)比較高級(jí)的方法也是比較常用的方法，里面用到很多算法像單元分割、桶算法等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。無(wú)論耦合交界面能否完全重合對(duì)應(yīng)都能很好地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，并且保證嚴(yán)格的能量守恒。

2 ANSYS流固耦合的實(shí)現(xiàn)方法

ANSYS-Workbench的誕生使得多場(chǎng)分析變得簡(jiǎn)單，隨著CFX和FLUENT被整合到ANSYS-Workbench以來(lái)，流固耦合的分析方式也變得多種多樣，具體分析模塊及配置環(huán)境如表1所示。但是ANSYS不支持MechanicalAPDL和FLUENT的雙項(xiàng)流固耦合，不過(guò)可以通過(guò)第三方軟件MPCCI實(shí)現(xiàn)。

表1 ANSYS流固耦合分析模塊及配置環(huán)境

3 應(yīng)用

眾所周知，舵面操縱效率和操縱反效是影響飛機(jī)的操縱性能的主要因素[14]，而且操縱反效可能導(dǎo)致嚴(yán)重的飛行事故。因此，有必要對(duì)副翼旋轉(zhuǎn)進(jìn)行相關(guān)的靜氣動(dòng)彈性分析[15]。為提高飛機(jī)操縱效率以及解決副翼反效帶來(lái)的危害，對(duì)飛機(jī)副翼轉(zhuǎn)動(dòng)采取流固耦合分析至關(guān)重要。

本文算例模型是由NACA0012修改而得，模型主要由兩部分組成,分別是外流場(chǎng)模型和帶副翼的機(jī)翼模型，空氣的來(lái)流方向?yàn)闄C(jī)翼的正前方，后端為出口。其用于結(jié)構(gòu)分析的副翼網(wǎng)格如圖3所示，用于流體分析的副翼網(wǎng)格如圖4所示。對(duì)副翼轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)設(shè)置，以獲得副翼在不同時(shí)刻的周圍氣流的流速。

對(duì)副翼轉(zhuǎn)動(dòng)采用Transient Structural(ANSYS)+Fluid Flow(CFX)的雙向流固耦合分析，得到副翼周圍空氣的流動(dòng)特性，其不同時(shí)刻周圍空氣流速如圖5所示。

通過(guò)圖6可以看出，在0.3 s和0.8 s時(shí)副翼上下表面壓力均值幾乎一樣，副翼效率在降低即將發(fā)生副翼反效現(xiàn)象。副翼效率降低的主要原因是副翼的擺動(dòng)角度過(guò)大，根據(jù)分析得知此翼型的副翼擺動(dòng)角度不宜超過(guò)±7.2°。

圖3 結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格

4 結(jié)論

副翼作為飛機(jī)機(jī)翼的主要組成部分，起著使飛機(jī)滾轉(zhuǎn)的作用。因此副翼周圍的氣體流動(dòng)就顯得格外重要。本文利用ANSYS-Workbench對(duì)飛機(jī)副翼轉(zhuǎn)動(dòng)采用Transient Structural(ANSYS)+Fluid Flow(CFX)的雙向流固耦合的分析，分析不同時(shí)刻飛機(jī)副翼轉(zhuǎn)動(dòng)的氣動(dòng)特性有效避免副翼反效，為提高飛機(jī)的操縱性能提供依據(jù)。

圖5 不同時(shí)刻副翼周圍速度分布圖

圖6 不同時(shí)刻副翼上下表面壓力分布

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(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：林嘉)

Ailerons rotating fluid-structure coupling analysis based on ANSYS-Workbench

QIU Fu-sheng，ZHAO Hai-yang，REN Yan-xiu

(Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

The aileron is an important part of the airplane wings,whose surrounding airflow plays an important role inturning-over of the airplane.In this paper,the data exchange ways of Multi-field solver MFS and MFX are studied and comparatively analyzed,and various ways of implementing fluid-solid coupling analysis are introduced.Meanwhile,by using two-way fluid-structure interaction analysis system in the software of ANSYS-Workbench,the airflow caused by aileron rotation is analyzed,and the aileron rotating aerodynamic characteristics at different times are acquired.As a result,aileron reversal is effectively avoided and aileron efficiency is improved,which lay a foundation for enhancing maneuver performance.

ANSYS;aileron rotation;fluid-structure interaction;data exchange ways

2015-03-31

航空科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：2013ZA54003);遼寧省教育廳一般項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：L2013079)

邱福生(1977-)，男，江西于都人，副教授，主要研究方向：飛行器設(shè)計(jì)與制造一體化，CAD/CAPP/CAE/CAM、生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程建模等，E-mail：qfs77815@163.com。

2095-1248(2015)05-0032-05

V211.41

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.05.003