邱福生，趙海洋，任延岫

(沈陽航空航天大學 航空航天工程學部(院)，沈陽 110136)

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基于ANSYS-Workbench的飛機副翼轉(zhuǎn)動流固耦合分析

邱福生，趙海洋，任延岫

(沈陽航空航天大學 航空航天工程學部(院)，沈陽 110136)

副翼是飛機機翼的重要組成部分，其周圍氣體流動對飛機翻轉(zhuǎn)起著重要作用。對多場求解器MFS和MFX數(shù)據(jù)的交換方式進行了研究和對比分析，并介紹了實現(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)對飛機副翼轉(zhuǎn)動過程中的氣體流動進行分析。通過分析得到了不同時刻下副翼轉(zhuǎn)動氣動特性，有效避免副翼反效和提高副翼效率，為提高飛機的操縱性能提供依據(jù)。

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

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

自1981年 Zienkiewicz教授在英國召開了第一屆和第二屆有關(guān)耦合分析問題的學術(shù)會議以來，這類問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的問題中應用了ALE方法；次年 Hubener[2]對二維膜結(jié)構(gòu)進行了耦合模擬；2003年GLUCK[3-4]將輕型結(jié)構(gòu)數(shù)值分析方法成功應用于膜性結(jié)構(gòu)和柔殼結(jié)構(gòu)的振動響應問題中；Stein[5]為解決復雜幾何及大位移問題提出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)問題。國內(nèi)對流固耦合的認識和研究稍晚一些，但是效果顯著。2004年郭術(shù)義、陳舉華對流固耦合的國內(nèi)外發(fā)展給予綜述性介紹[8]；同年徐敏針對流固耦合交界面數(shù)據(jù)傳遞問題提出改進的CTV方法[9]；2006年黃旌、高濤利用APDL編程簡化復雜結(jié)構(gòu)建模問題[10];2008年馬鵬、豐家輝等人通過 ANSYS 分析得到了風機葉片的升阻比和變形情況[11]；尹文明、任勇生利用 ANSYS 解決機翼復合材料的模態(tài)問題[12]；2009年劉志遠、鄭源等利用CFX計算了風輪的單向結(jié)構(gòu)耦合問題，并對每個過程進行了介紹[13]。

隨著ANSYS-Workbench的誕生，使得耦合分析變得簡單，多場分析成為可能，也使各個軟件之間實現(xiàn)了無縫接口。但是介紹如何利用Workbench進行流固耦合分析的文章還不夠系統(tǒng)。因此本文利用ANSYS-Workbench對飛機副翼轉(zhuǎn)動進行流固耦合分析，對機翼的結(jié)構(gòu)和氣動的設(shè)計具有實際應用的意義。

1 ANSYS流固耦合面的數(shù)據(jù)傳遞

ANSYS提供了兩個多場求解器，分別是MFS和MFX。這兩種多場求解器還各帶有兩種插值方法，所以無論是結(jié)構(gòu)網(wǎng)格還是非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，ANSYS的多場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)傳遞需要進行兩次映射操作，即傳遞位移變量和傳遞應力變量，如圖1所示。

ANSYS多場求解器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)出信號來獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是在發(fā)射端進行處理完成插值。Globally Conservative插值法是被動式傳遞方式，即數(shù)據(jù)發(fā)射端主動向數(shù)據(jù)接收端傳遞數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是在接收端進行處理完成插值的。

圖1 流固耦合的網(wǎng)格映射關(guān)系圖

多場求解器MFS所提供的兩種插值方法的出發(fā)點和原理大不相同，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，對于力、熱通量這樣的數(shù)據(jù)，根據(jù)實際情況和具體要求進行選擇，但是對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多場求解器MFX提供Profile Preserving插值方法和Conservative插值方法。多場求解器MFX和MFS中的Profile Preserving插值方法是相同的。Conservative插值方法是相對比較高級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、桶算法等進行數(shù)據(jù)傳遞。無論耦合交界面能否完全重合對應都能很好地進行數(shù)據(jù)傳遞，并且保證嚴格的能量守恒。

2 ANSYS流固耦合的實現(xiàn)方法

ANSYS-Workbench的誕生使得多場分析變得簡單，隨著CFX和FLUENT被整合到ANSYS-Workbench以來，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的雙項流固耦合，不過可以通過第三方軟件MPCCI實現(xiàn)。

表1 ANSYS流固耦合分析模塊及配置環(huán)境

3 應用

眾所周知，舵面操縱效率和操縱反效是影響飛機的操縱性能的主要因素[14]，而且操縱反效可能導致嚴重的飛行事故。因此，有必要對副翼旋轉(zhuǎn)進行相關(guān)的靜氣動彈性分析[15]。為提高飛機操縱效率以及解決副翼反效帶來的危害，對飛機副翼轉(zhuǎn)動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,分別是外流場模型和帶副翼的機翼模型，空氣的來流方向為機翼的正前方，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。對副翼轉(zhuǎn)軸進行旋轉(zhuǎn)設(shè)置，以獲得副翼在不同時刻的周圍氣流的流速。

對副翼轉(zhuǎn)動采用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特性，其不同時刻周圍空氣流速如圖5所示。

通過圖6可以看出，在0.3 s和0.8 s時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角度過大，根據(jù)分析得知此翼型的副翼擺動角度不宜超過±7.2°。

圖3 結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格

4 結(jié)論

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

圖5 不同時刻副翼周圍速度分布圖

圖6 不同時刻副翼上下表面壓力分布

[1]ZHANG Q,HISADA T.Analysis of fluid-structure interaction problems with structural and large domain changes by ALE finite element method[J].Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering,2001,190(48)：6341-6357.

[2]HUBNER B,WALBORN E,DINKLER D.Simultaneous solution to the interaction of wind flow and light-weight membrane structures[A].Proceedings of International Conference on Lightweight Structures in Civil Engineering[C],2002:519-523.

[3]GLUCK M,BREUER M,DURST F,et al.Computation of fluid-structure interaction on lightweight structures[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2001,89(14-15):1351-1368.

[4]GLUCK M,BREUER M,DURST F,et al.Computation of wind-induced vibrations of flexible shells and membranous structures[J].Journal of Fluids and Structures,2003,17(5):739-765.

[5]STEIN K.Automatic mesh updates with the solid extension mesh moving technique[J].Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering,2004,193(21-22):1019-2032.

[6]DE SAMPAIO P A B,HALLAK P H,ALVARO L G,et al.A stabilized finite element procedure for turbulent fluid-structure interaction using adaptive time-space refinement[J].International Journal for Numerical Methods in Fluids,2004,44(6):673-693.

[7]TEIXEIRA P R F,AWRUCH A M.Numerical simulation of fluid-structure interaction using the finite element method[J].Computers and Fluid,2005,34(2):249-273.

[8]郭術(shù)義,陳舉華.流固耦合應用研究進展[J].濟南大學學報(自然科學版),2004,18(2):123-125.

[9]徐敏，陳士櫓.CFD/CSD耦合計算研究[J].應用力學學報,2004,21(2):33-36.

[10]黃旌,高濤.ANSYS 用于機翼有限元分析的建模研究[J].紅河學院學報,2006,4(2):8-11.

[11]馬鵬,豐家輝,胡昌洋.風力發(fā)電機翼型升阻比的計算[J].玻璃鋼/復合材料增刊,2008,30(7):75-79.

[12]尹文明,任勇生.基于ANSYS的復合材料機翼的模態(tài)分析[A].中國硅酸鹽學會玻璃鋼分會.第十七屆玻璃鋼/復合材料學術(shù)年會論文集[C].中國硅酸鹽學會玻璃鋼分會,2008:3.

[13]劉志遠,鄭源,張文佳,等.ANSYS-CFX單向流固耦合分析的方法[J].水利水電工程設(shè)計,2009,28(2):29-31.

[14]陳桂彬,鄒叢青,楊超.氣動彈性設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004:64-74.

[15]萬志強,唐長紅,鄒叢青.柔性復合材料前掠翼飛機靜氣動彈性分析[J].復合材料學報,2002,19(5):118-124.

(責任編輯：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

航空科學基金(項目編號：2013ZA54003);遼寧省教育廳一般項目(項目編號：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)計與制造一體化，CAD/CAPP/CAE/CAM、生產(chǎn)技術(shù)準備、產(chǎn)品開發(fā)過程建模等，E-mail：qfs77815@163.com。

2095-1248(2015)05-0032-05

V211.41

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.05.003