高端裝備制造業航空航天飛行器的氣動熱伺服彈性推進系統仿真平臺（一）

2017-07-11 10:50:07

來源：互聯網

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關鍵詞：航空航天飛行器氣動熱伺服彈性推進

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隨著當代航天飛行器的發展和對空間探索興趣的日益增長，開發航天飛行器的高級多學科分析工具變得越來越重要。過去幾十年用于預測氣動力、結構和燃燒的方法和軟件，得到了極速的發展。然而，理解和計算多學科之間的耦合和相互作用，仍須發展先進、高效以及能精確模擬各種物理現象的耦合算法。因此，用于分析評估航天飛行器的氣動熱伺服彈性和推進性能的集成系統，將發揮極為重要的作用。

本文工作的重大創新是發展了ADI.SimWcxrk軟件，它能夠應用在不同分析和設計階段的可變保真度模擬的氣彈系統中，進行流體、結構和控制場仿真的精確集成和耦合，極大地節省了航天飛行器的性能預測和設計時間。此外，該軟件可用于從亞聲速到高超聲速的所有飛行范圍，還可以在動靜流體-結構相互作用環境下，通過使用強大的最新技術CFD/CSD耦合算法和粒子材料點方法(MPM)進行建模和數值仿真。

1 ADI.SimWork的集成軟件結構

ADI.SimWork3.0包括計算流體力學、計算結構力學、流固耦合等子系統。其中計算流體力學(CFD)包括穩態、非穩態仿真分析;計算結構力學(CSD)包含粒子方法、有限元方法；流固耦合（FSI/AE/ASE)包括氣彈，氣動伺服彈性(ASE)等。軟件主要功能包括：

(1)復雜流場模擬與氣動力預測；

(2)復雜非定常流場高精度數值模擬；

(3)六自由度運動數值模擬；

(4)氣動噪聲數值模擬；

(5)發動機燃燒高精度數值模擬；

(6)內外流一體化數值模擬；

(7)高超聲速飛行器化學反應數值模擬；

(8)飛行器流固耦合(靜氣彈/動氣彈)數值模擬；

(9)復雜結構非線性數值模擬；

(10)爆炸穿透過程數值模擬；

(11)復合材料非線性快速數值模擬。

ADI.SimWork3.0還包括前處理和后處理模塊。軟件結構圖如下：

圖1 ADI.SimWork3.0結構圖

ADI.SimWork3.0總體框架結構共分為三層，分別為支撐層、核心層以及應用層，其總體框架如圖2所示。

圖2 ADI.SimWork3.0總體框架結構

2 ADI.SIMWORK的功能模塊

2.1 嵌套網格氣動數值仿真模塊

OverCFDLab軟件適用于復雜外形與復雜流場的數值模擬仿真，支持自定義與6-D0F運動，具有強大的模擬旋轉機械、多體分離、碰撞預測等多組件相對運動問題的能力。該軟件與同類軟件相比具有以下優勢：

(1)采用了最新的計算迭代技術及多重網格技術，計算速度及并行效率遠比同類軟件高。

(2)采用的重疊網格能很方便的處理各種復雜的物理外形。

(3)采用了先進的DES、DDES等湍流模型及HLLC、WEN0等高階數值格式，并且使用旋轉修正、曲率修正及溫度修正等，保證了計算的準確性，使用Koren、Minmod、vanAlbada以及光順技術，保證了計算的穩定性。

(4)可以選用理想氣體、變γ氣體、多組分氣體等氣體模型，因而能夠精確快速穩定的模擬其他市場上常見商業軟件無法很好解決的跨聲速以及10Ma以上高超音速問題。

2.2 噪音CAALab模塊

當流體處于非定常運動時，壓力等物理量會產生脈動，這種非定常的脈動會產生噪音，本模塊采用RANS/LES混合方法，對湍流及其近場噪聲源有很好的模擬。流體模塊可以輸出全場和測點（包括點、線、面）的平均及其脈動量。CAALab對于測點的物理量，采用多窗口數據頻譜分析，使頻譜分析更加準確。

2.3 燃燒CHCFDLab模塊

燃燒化學反應仿真系統CHCFDLab是專門針對發動機燃燒數值模擬的仿真軟件。它包含理想量熱完全氣體和混合熱力學氣體兩種氣體模型，采用的是多塊、結構化網格、三維有限體積CFD求解器，可以模擬從亞聲速到高超聲速條件下有化學反應、燃燒和湍流的復雜流場。

2.4 氣彈FSILab模塊

FSILab是一款基于CFD技術的氣動彈性力學仿真軟件，支持多種網格類型，適合復雜外形的氣動、靜氣彈以及動氣彈耦合分析。軟件包含高效的網格變形和插值算法，具備強大的網格修復功能，并支持用戶指定運動的氣動彈性耦合問題。

2.5 BLADESIGN模塊

Bladesign是一款對梁(beam)進行力學分析的一款CAE專業軟件。在采用復合材料的復雜梁結構的力學分析上有著其余商業軟件無法比擬的高效率、易操作、高精度的優勢。十分適合用于計算細長梁截面的結構特性和慣性特性。

Bladesign專門為復合材料梁設計定制了在通用的CAD環境下提供設計復合材料梁最好的方法，包括CAD建模、網格生成、有限元分析、材料庫和多功能的后處理器。能夠實現從幾何建模、結構分析、仿真及結構優化、后處理等完整的設計分析功能，使設計人員能夠輕松、高效地完成復合梁的分析與設計工作。

2.6 FEMLab模塊

FEMLab模塊是一款適用于結構分析的CAE軟件，可以實現線性靜態分析、動態響應分析和熱分析等功能。

FEMLab模塊包括0D、1D、2D、3D以及各種連接單元共40多種單元類型，載荷包括集中力、壓強、重力等常用載荷，可以滿足不同工程分析的需求。

2.7 MPM物質點法

物質點法是一種完全的拉格朗日質點類方法，在每步中質點和計算網格沒有相對運動，避免了歐拉法因非線性對流項產生的數值困難，并且容易跟蹤物質界面。在涉及大變形和材料破壞的問題中具有明顯的優勢。具體應用如下：

(1)裂紋是強不連續面，其萌生、擴展、分叉過程用網格類方法模擬時需要不斷重分網格，而用物質點法在求解動態斷裂則沒有此類困難。

(2)高速碰撞問題涉及超大變形、斷裂、破碎等強非線性現象。

2.8 ADl.SimWork工具與類似軟件相比較的獨特點

與已有CAE(如Fluent，CFX，Nastran，An_sys)軟件相比，ADI.SimWork軟件有以下幾大優勢：

(1)集成用戶友好，內嵌多學科分析和設計所需的組件，所有模塊均可單獨或與其它模塊耦合運行和購買。

(2)具有很強的求解非線性問題的能力，用于處理流體動力學（如激波高溫氣動）；結構動力學(如基于粒子方法處理裂紋）；流固非線性耦合以及氣彈/氣動伺彈性(AE/ASE)。

(3)CFD與CSD求解器直接嵌入FSI/AE和ASE模塊中，無須借助第三方軟件。

(4)采用粒子方法無須生成復雜模型或旋轉機械的網格。

(5)具有很強計算燃燒及噪聲的能力。

(6)獨立的前處理和后處理，用于創建幾何模型、生成粒子、高質量顯示結構、非結構及粒子數據、快速生成動畫的能力。

(7)全面及用戶友好的材料庫，用戶可選擇和自定義材料的類型和屬性。

3 ADI.SIMWORK的應用

3.1 WPSF投彈算例

3.1.1 問題描述

該算例幾何外形由機翼/掛架/帶翼導彈組成。利用OverCFDLab對該算例進行數值模擬，結果表明該軟件在多體分離、六自由度、動網格和網格自適應上的優勢。

3.1.2 網格及計算結果

(1)計算條件

風洞模型為全尺寸模型的5%，這里給出全尺寸模型的計算參數：

在導彈投放初期，為了確保投放過程中母機安全，試驗對導彈施加了兩個彈射力抑制導彈的低頭力矩，彈射力數據如下：

(2)計算模型

WPSF算例幾何模型和嵌套網格如圖3、4所示:近體網格數為4341506。

計算采用的湍流模型是S-A模型，數值格式為Roe上風格式，時間推進選擇ARC3Ddiag，內迭代20步，每50步進行一次網格自適應。

(3)計算結果

由圖5和圖6可見:偏航角和側滑角和實驗結果非常接近，質心位置和實驗結果基本一致，滾轉角與實驗值趨勢基本一致。表明OverCFDLab可準確預測導彈投放過程。

3.2 直升機槳葉噪聲計算3.2.1問題描述

利用OverCFDLab和CAALab計算了Caradon-na-Tung和UH-1旋翼的流場，并計算了UH-1旋翼的氣動噪聲，將計算結果和公開發表的實驗結果進行了對比。

3.2.2 網格及流場計算

OverCFDLab計算采用的網格是自主研發的嵌套網格生成工具OversetGrid軟件，網格生成過程如圖7所示。

圖7 Caradonna-Tung旋翼嵌套網格生成

計算揣流模型選用Spalart-Allmaras，該模型在翼型計算中具有較好的魯棒性；空間格式選取2階中心差分格式，時間推進采用ARC3DDiag，耗散項選擇TLNS3DDiss，每步進行15次牛頓內迭代。計算步長采用0.25°。計算結果顯示:該軟件能夠準確計算出旋翼翼尖及下洗流場中的漩渦，數值耗散小，如圖8所示。