一种柔性翼微型飞行器的流固耦合数值仿真方法

摘要

本发明属于柔性翼微型飞行器辅助设计技术领域，其特征在于，在计算机中设定以下模块：结构-流场实体建模及基本假定模块，设定柔性翼及其周围流场的三维模型；k-ε湍流模型流场分析模块，以获取在不同飞行条件下流场的流固耦合面的分布压力；线弹性结构分析模块，得到柔性翼结构网格的位移和速度；结构-流场耦合接口模块，从已得到的柔性翼结构网格的位移中，获取流场网格的变形，以作为k-ε湍流模型流场分析模块的输入条件输出，根据流场的分布压力，得到柔性翼翼面的分布压力，以作为线弹性结构分析提供的输入条件输出。本发明具有保证比二维分析更为准确的同时又可提高仿真计算的效率的优点。

主权项

一种柔性翼微型飞行器的流固耦合数值仿真方法，其特征在于，该方法是在计算机中依次按以下步骤实现的：步骤1.在计算机中设定以下模块：结构‑流场实体建模及基本假定模块、k‑ε湍流模型流场分析模块、线弹性结构分析模块以及结构‑流场耦合接口模块；步骤2.用结构‑流场实体建模及基本假定模块建立柔性翼MAV及周围流场的三维实体模型，其步骤依次如下：步骤2.1在结构‑流场实体建模及基本假定模块中建立以下假定：流体以气体为研究对象；固体是理想弹性体；在流固接触面上任意时刻都是无滑移条件的；步骤2.2输入柔性翼的实际尺寸，用所述结构‑流场实体建模及基本假定模块中的Solidworks三维造型软件手动建立一个碳骨架嵌入薄膜中的三维柔性翼模型，以mav.sat格式文件保存；步骤2.3把步骤2.2得到的mav.sat格式的三维模型，导入第一ANSYS软件中，按照由线到面、由面到体的顺序用输入设备手动对所述三维柔性翼模型划分成四面体网格，得到柔性翼的网格模型，以mav.db格式文件保存；步骤2.4建立流场的三维模型：步骤2.4.1通过输入设备运用所述Solidworks三维造型软件手动建立一个六面体模型，使其一个端面与柔性翼的一个对称面共面；步骤2.4.2从所述六面体模型中减去步骤2.2所述的柔性翼实体模型得到柔性翼流场的三维模型，以fluid.sat格式文件保存；步骤2.5把步骤2.4得到的流场的三维模型导入第二ANSYS软件中，按照由线到面、由面到体的顺序通过输入设备对所述流场三维模型划分四面体网格，得到流场的网格模型，以fluid.db格式文件保存；步骤3.用k‑ε湍流模型流场分析模块计算流场流固耦合面的分布压力，k为湍动能输运方程，ε为湍动能的耗散率的输运方程；步骤3.1手动设置：柔性翼表面设为流固耦合面，在流固耦合边界的流体边界上施加流固耦合标签FSI，然后在流体场区域施加必要的边界条件：初始化来流速度，所述来流速度指流动入口边界的来流速度；入口边界条件为速度入口边界条件；出口边界条件为压力出口边界条件，流动出口的静压值为标准大气压；步骤3.2根据实际情况给出柔性翼的飞行速度和迎角，导入所述的流场网格模型fluid.db，经过所述k‑ε湍流模型流场分析模块中的第一CFX软件模块运算流场流固耦合面的 分布压力，把运算结果输入到结构‑流场耦合接口模块；步骤4.用线弹性结构分析模块计算柔性翼结构网格的位移及速度：步骤4.1手动设置：柔性翼表面设为流固耦合面，在流固耦合边界的固体边界上施加流固耦合标签FSI，设置柔性翼的材料属性参数；步骤4.2所述线弹性结构分析模块中的第一ANSYS软件Solution模块自动读取来自结构‑流场耦合接口模块中的柔性翼的压力分布，以及所述mav.db文件，循环计算得到柔性翼结构网格的位移和速度；所述k‑ε湍流模型流场分析模块的输入条件来自结构‑流场耦合接口模块的输出，该结构‑流场耦合接口模块中的MFX软件自动读取步骤4中由第一ANSYS软件导出的柔性翼结构网格的位移，从中得到流场网格的变形，并传递给所述结构‑流场耦合接口模块中的第二CFX软件，作为k‑ε湍流模型流场分析模块的输入条件输出；所述线弹性结构分析模块的输入条件来自所述结构‑流场耦合接口模块中的MFX软件，该MFX软件自动读取k‑ε湍流模型流场分析模块中第一CFX软件导出的流场分布压力，从而得到柔性翼翼面的分布压力，并传递给所述结构‑流场耦合接口模块第二ANSYS软件，作为线弹性结构分析模块的输入条件输出。