弹性整流罩分离的流固耦合仿真方法
大型柔性整流罩分离特点仿真分析
２ ．Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ａ ｅ ｒ ｏ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｓ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ ，Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ７ ６ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｅ ｉ ｒ ｇ ｉ ｄ ａ ｎ ｄ ｌ ｆ ｅ ｘ ｉ ｂ ｌ ｅ ｉ ｆ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｏ ｆ ａ ｌ ａ ｒ ｇ ｅ ｓ ｃ ａ ｌ ｅ ｌ ｆ ｅ ｘ ｉ ｂ ｌ ｅ ｆ ａ ｉ ｒ ｉ ｎ ｇ ｗｅ ｒ ｅ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ
摘 要 ：建立整流罩刚体及弹性体有限元模型， 联合大型商用软件 Ｍ Ｓ Ｃ ． Ｎ ａ ｓ ｔ ｒ ａ ｎ 及Ｌ Ｓ ． Ｄ Ｙ Ｎ Ａ对新一代大型运载
火箭整流罩分 离过程进行仿真分 析。通过与刚体模型对 比 ， 分析分 离过程 中整流罩 自由模 态 、 变形特点 、 运动轨 迹 、 能 量
变化及 呼吸运 动对分离角速度 、 罩 内可用包络空 间的影响 。结果表 明 ， 整 流罩呼吸运 动对罩 内可 用包络空 间影 响最大 区 域为后柱段下端 ， 对整流罩 质心运动轨迹影 响较小 ， 能 明显减小过顶角 速度及脱 钩角速度 ， 使过顶 、 脱 钩时间有所 延迟 ， 致
dyna流固耦合方案
dyna流固耦合方案
Dyna流固耦合方案是一种数值模拟方法，用于同时考虑流体和固体之间的相互作用。
这种方法可以模拟复杂的流体动力学和结构响应，适用于各种工程领域，如航空航天、船舶、汽车、能源等。
在Dyna流固耦合方案中，流体和固体被视为相互渗透的连续介质，通过求解流体动力学和结构动力学方程来模拟流体的运动和结构的变化。
这些方程通常包括流体动力学方程、结构动力学方程、热传导方程等。
为了实现流固耦合，需要将流体和固体之间的相互作用力传递到各自的边界上，并使用适当的算法将它们耦合在一起。
这通常需要开发特定的程序或软件来实现。
在实现Dyna流固耦合方案时，需要考虑以下关键因素：
1. 流体和固体之间的相互作用力，包括压力、剪切力和温度等。
2. 流体的流动特性和结构的变化，需要考虑流体的非牛顿行为和湍流模型以及结构的弹性和塑性行为等。
3. 流体和固体之间的界面条件，包括界面上的压力、剪切力和温度等。
4. 数值方法的稳定性和精度，需要选择合适的数值方法来求解流固耦合方程，并保证结果的准确性和可靠性。
总之，Dyna流固耦合方案是一种非常有用的数值模拟方法，可以用于模拟
复杂的流体动力学和结构响应，为工程设计提供重要的参考依据。
《弹性板壳与流体耦合作用问题研究》范文
《弹性板壳与流体耦合作用问题研究》篇一一、引言在工程领域中，弹性板壳结构与流体的耦合作用问题一直备受关注。
该问题涉及流体力学、弹性力学以及结构动力学等多学科的交叉，是工程实际问题中的一种复杂而重要的物理现象。
研究弹性板壳与流体耦合作用问题，对于提升结构在复杂环境下的稳定性和可靠性具有重要意义。
本文将围绕这一主题展开研究，并分析相关研究成果和理论依据。
二、弹性板壳与流体耦合作用的基本理论弹性板壳与流体耦合作用问题涉及到流体动力学和弹性力学的基本理论。
在流体动力学方面，主要研究流体的运动规律、压力分布以及流体与结构之间的相互作用力等。
在弹性力学方面，主要研究板壳结构的变形、应力分布以及结构在外部载荷作用下的响应等。
当流体与板壳结构相互作用时，流体的运动和结构的变形会相互影响，形成耦合作用。
三、弹性板壳与流体耦合作用的研究现状目前，国内外学者针对弹性板壳与流体耦合作用问题进行了广泛的研究。
研究方法主要包括理论分析、数值模拟和实验研究等。
在理论分析方面，学者们建立了各种力学模型，通过解析或半解析的方法求解耦合作用的力学问题。
在数值模拟方面，利用有限元、有限差分等数值方法对耦合作用进行模拟和分析。
在实验研究方面，通过搭建实验装置，观测和分析流体与结构之间的相互作用力及结构响应等。
四、关键技术与方法针对弹性板壳与流体耦合作用问题，本文提出以下关键技术与方法：1. 建立合理的力学模型：根据问题的特点，建立合适的力学模型，包括流体域和结构域的描述以及两者之间的相互作用关系。
2. 数值模拟方法：采用合适的数值方法，如有限元法、边界元法等，对耦合作用进行数值模拟和分析。
3. 实验研究方法：通过搭建实验装置，观测和分析流体与结构之间的相互作用力及结构响应等，验证理论分析和数值模拟结果的正确性。
4. 多尺度分析方法：考虑不同尺度下的耦合作用问题，包括微观尺度的流体分子运动和宏观尺度的结构变形等。
五、研究内容及方法实现针对不同的研究对象和研究目标，本文将开展以下研究内容及方法实现：1. 对特定结构的弹性板壳与流体耦合作用问题进行理论分析，建立相应的力学模型和解析解。
流固耦合仿真步骤
流固耦合仿真步骤哎，说起流固耦合仿真，这可真是个技术活儿，得一步步来，不能急。
就像做蛋糕一样，得先准备好材料，然后按步骤来，不然做出来的蛋糕不是糊了就是没熟。
好了，不扯远了，咱们来聊聊流固耦合仿真的步骤。
首先，得有个模型。
这模型就像蛋糕的模具，决定了蛋糕的形状。
在流固耦合仿真里，模型就是你想要研究的物体，比如飞机的机翼啊，汽车的车身啊。
你得先在计算机里建个模型，这得用到专业的软件，比如ANSYS、ABAQUS之类的。
建好模型后，就得设置边界条件了。
这就像做蛋糕前得预热烤箱，设定好温度。
在仿真里，边界条件就是你得告诉计算机，这个模型在实际使用中会遇到哪些情况。
比如，飞机机翼得承受多大的风速，汽车车身得承受多大的压力。
这些条件得根据实际情况来设定，不能瞎猜。
接下来，就是网格划分了。
这步骤挺重要的，就像做蛋糕得把面糊均匀地倒进模具里。
在仿真里，网格划分就是把模型分成很多小格子，这样计算机才能计算每个小格子受到的力。
网格划分得均匀，不能太粗也不能太细，太粗了计算不准确，太细了计算时间太长。
然后，就是设置材料属性了。
这就像做蛋糕得选好面粉、糖、鸡蛋这些材料。
在仿真里，材料属性就是你得告诉计算机，这个模型是用啥材料做的，比如是钢啊、铝啊还是塑料。
这些材料的属性，比如密度、弹性模量、泊松比这些，都得准确设置。
设置好这些后，就可以开始计算了。
这就像把面糊放进烤箱，开始烤蛋糕了。
在仿真里，计算就是计算机根据你设置的条件，模拟物体在实际使用中的情况。
这个过程可能挺长的，得有耐心等。
计算完成后，就是后处理了。
这就像蛋糕烤好后，得拿出来冷却，然后装饰一下。
在仿真里，后处理就是分析计算结果，看看物体在实际使用中的表现。
你得检查结果是否合理，比如应力分布是否均匀，变形是否在允许范围内。
最后，就是优化设计了。
这就像蛋糕装饰好后，得尝尝味道，看看是否需要改进。
在仿真里，优化设计就是根据计算结果，调整模型的设计，提高性能或者降低成本。
固体火箭发动机喷管分离流动流固耦合数值仿真
ｄ ｔ ｎ ａ ｉ ｌ ｙ ｔ ｅ ｎ ｚ ｌ ｅｏ ｍａ ｉｎ， ｉ ｈ ｓ ｐ ｏ ｔｔ ｅ ａ ｃ ｒ ｃ ｆ ｈ ｔ ｏ ｕ ｒｃ ｌ ｉ ｌ ｔ ｎ Ｔ ｅ ｓｍｕ ａｉｎ ｐ ｏ ａａ ａ ｄ ｃ ｎ ｄ ｓ ａ ｈ ｏ ｚ ｄ ｆ ｒ ｔ ｐ ｅ ｏ ｗｈ ｃ ｕ ｐ ｒ ｃ ｕ ａ ｙ ｏ ｅ ｍｅｈ ｄ ｏ ｎ ｍｅ ｉａ ｍｕ ａｉ ． ｈ ｉ ｌ ｔ ｒ — ｈ ｔ ｆ ｓ ｏ ｏ
ｅｐｒ ｎ ｒｓｌ Ｔ ｅＭ Ｃ Ｉ ｏｗ ｒ ｉ ｕｅ ｎ ｅＦ Ｕ Ｎ Ｆ ｏｅ ｎ ｅＡ Ｕ Ｕ Ｅ ｃｄ ｎｌｚ ｇｓ ｏ ｎ ｅ ｘｅｉ ｔ ｅｕｔ ｈ ｐ Ｃ ｆ ａ ｓｄｔ ｌ ｋｔ Ｌ Ｅ ＴＣ Ｄ ｃｄ ｄｔ Ｂ Ｑ ＳＦ ｏ ｅｏａａｙｅ ａ ｆ ｗａｄｔ ｍｅ ． ｓｔ ｅｓ ｏｉ ｈ ａ ｈ ｔ ｌ ｈ
Ｏ 引 言
ห้องสมุดไป่ตู้
级发 动机 正采 用越 来 越 大 面 积 比的喷 管 ， 以提 高 高 空
随着 航 天科学 技 术 的飞 速 发 展 ， 固体 火箭 发 动 机 性能 。但 大面 积 比喷管在 地面试 车 以及 发 动机 的启 动 都 的研 究工 作 开始 突飞 猛 进 。如 美 国 于 ２ １ ００年 ８月 ３ 和关 机过 程 中 ， 会 产 生 分离 流动 现 象 。使 用 大 面 积 １
（ ｅｏｄＡｔｌｒ Ｅ ｇ ｅｒ ｇＵ ｉ ｒｔ ｏ２ １Ｓａ ｏｍ， ｉｎ ７０ ２ Ｃ ｉａ Ｓｃｎ ｒｌ ｙ ｎｉ ｅｉ ｎｖ ｓｙＮ ．０ ｔｆ ｏ Ｘ ｈ １０５，ｈｎ ） ｉｅ ｎ ｎ ｅｉ ｆＲ
Ａｂｓｒ ｔ： ｅ ｆｏ ｓ ｐ ｒｔｏ ｎ ｔ ｖ ｒ ｘ ｎ ｅ ｚ ｌ ｓｓｕｄｅ ｉ ｇｎｕ ｅｉａ ｉ ａ ｉｎ ｍｅｈｏ ｎ ｏ ｔ ａｃ Ｔｈ ｗ ｅ ａ ａｉｎ ｉ ｈｅｏ ｅ ｅ ｐａ ｄ ｄ ｎｏ ｚｅｗａ ｔ ｉｄ ｂｙｕｓｎ ｍ ｒｃ ｌｓｍｕｌｔｏ ｔ ｄ ａ ｄ ｃ ｍｐａｅ ｔ ｌ ｒ ｄ ｗｉｈ
(完整版)流固耦合教学
1、打开ANSYS Workbench, 拖动各模块到空白区，并照此连接各模块。
2 2、打开第一个模块当中的Geometry，建立几何模型：（1）在XY Plane内建立Ship Shell船长：0.4、船宽：0.14、型深0.11将第一个Solid重命名为Ship Solid在Concept中选择Surfaces From Faces，选中模型的六个面，然后Apply、Generate。
重命名第二个Ship Solid为Ship Shell右击Ship Solid, 选择Hide Body，显示Ship Shell, 然后对Ship Shell执行同样操作（即隐去）（2）在YZ Plane内建立液舱单击（New Plane），选择YZ plane，，Apply一下将YZ Plane 向X正方（图中为法向，即Z）向偏移0.02mGenerate一下，然后Show body 一下Ship Solid 与Ship Shell可以看到YZ Plane已平移到Body内了再将Ship Solid 与Ship Shell 都Hide，选择Plane 4，调为正视，Generate一下新建一个Sketch：单击，显示，在此Sketch中建立液舱模型草图单击约束（Constrains），将草图中的“水平线”调整为水平，“垂直线”调整为垂直：事实上仅用Horizontal（水平）和Vertical（垂直）就OK了。
以水平约束为例，先单击Horizontal，再依次单击草图中的水平线段。
调整后如下图所示：定义尺寸：左下角空缺的部分是预留贴“应变片”的部分，需要单独建模单击Extrude（拉伸），设置Operation（下拉列表中改选为Add Frozen）与拉伸尺寸（0.1m）：然后Generate一下将第三个Solid重命名为Fluid，拉伸后的效果如下：再新建一个Sketch，显示，在空缺处画一个长方形，然后拉伸0.1m，（其中Operation属性同样选为Add Frozen），Generate一下，同样把第四个Solid重命名为Fluid建立舱壁：在Concept中选择Surfaces From Faces，选中除“应变片”外的其余9个面图中“应变片”显示为未着色，即不选中，然后Generate一下将第五个Fluid重命名为Fluid Shell再Surfaces From Faces一次，选中“应变片”，Apply，Generate，同样将其重命名为Fluid Shell选中Fluid（内流场），将其属性改为Fluid，（Fluent中默认均为Solid）选中“内流场”，右击，选择Form New part，并重命名为Fluid再选中舱壁（Fluid Shell）也组成一个part，并重命名为Fluid Shell到此，液舱（内流场与舱壁）就建完了，然后将二者都执行Hide body（3）在ZX Plane内建外流场选择，调整为正视，旋转坐标系先确定外部尺寸，再确定内部尺寸：外部流场关于坐标轴（横轴）对称，两边各距离横轴0.3m，前后距离纵轴距离分别为：0.3m、3.14m. 内部为船体位置，横向（船宽）为0.14m、纵向（型深）为0.11m拉伸（Extrude）一下，拉伸长度为船长，即0.4m ，其中Operation选择Add Frozen，Generate 一下图中显示外流场把船体的位置给空了出来，将重命名为Out Fluid，同时将属性改为Fluid接下来进行流场切分（Slice）：在Tools中选择Freeze，产生透明效果单击Slice（或者在Create中单击Slice），在Slice Type中选择Slice by surface，点击Target Face，选中船体所在位置（即图中外流场所空出来的位置）内侧某一个面（以左侧面为第一个面为例），Appy一下。
流固耦合动力学仿真方法及工程应用
流固耦合动力学仿真方法及工程应用流固耦合动力学仿真方法及工程应用包括:1. 流固耦合仿真方法:该方法通常使用流体力学和材料力学的基础原理来建模流固耦合现象。
将流体与固体材料紧密耦合,考虑流体的运动和材料表面的应力、应变和变形协调。
该方法的应用范围非常广泛,包括机械工程、航空航天工程、土木工程和水利工程等领域。
2. 有限元分析(FEA):有限元分析是一种计算机模拟方法,通过将整个系统划分为许多小部分,并在每个小部分中求解复杂的问题。
流固耦合动力学仿真通常涉及将流体和固体材料划分为许多单元,并对每个单元进行求解。
这种方法常用于机械工程、航空航天工程和土木工程等领域。
3. 数值模拟方法:数值模拟方法是一种通过计算机程序计算数值模型的方法。
流固耦合动力学仿真通常涉及对系统进行数值模拟,并使用计算机程序进行求解。
这种方法常用于机械工程、航空航天工程和土木工程等领域。
4. 基于物理模型的方法:基于物理模型的方法是一种将实际物理过程建模为数学模型的方法。
流固耦合动力学仿真通常涉及将实际物理过程建模为数学模型,并将其与材料力学和流体力学的基础原理进行耦合。
这种方法常用于机械工程、航空航天工程和水利工程等领域。
流固耦合动力学仿真方法及工程应用的主要方法如下:1. 有限元分析(FEA):该方法可以用于模拟流固耦合现象,将流体和固体材料划分为许多小部分,并对每个小部分进行求解。
2. 数值模拟方法:该方法可以用于模拟流固耦合现象,使用计算机程序进行求解。
3. 基于物理模型的方法:该方法可以用于将实际物理过程建模为数学模型,并将其与材料力学和流体力学的基础原理进行耦合。
4. 混合方法:混合方法是一种结合多种方法的方法,将不同方法结合起来,以获得更准确的结果。
基于LS_DYNA的弹体撞水过程流固耦合动力分析
1
结构物撞水的研究，对于解决鱼雷、反潜导弹、深水炸
弹、破障炮弹入水的运动，宇宙飞船返回舱的水上回收，水
上飞机的起降等工程实际问题具有重要意义
[1-2]
。当结构物
与流体发生撞击作用时，不但流体会对结构物产生强大的撞
击作用力，结构物的运动和形变也会对流场产生显著的影
响，因此两者之间存在着强烈的流固耦合作用。而高速弹体
博导，研究方向为飞行器导航、制导与控制；林鹏(1978-), 男, 辽宁本
溪人, 讲师, 博士后，研究方向为飞行器结构设计、导弹先进控制理论
与应用。
单元网格与结构是重合的，网格随着结构的变形而变形。但
是，对于流固耦合问题，材料流动将造成有限元网格的严重
畸变，引起数值计算困难，导致仿真计算无法完成。为此，
考虑到弹体的高速运动，这样得到的流场区域往往很大，为
了将求解时间控制在可以接受的范围内，需要对时间步长进
行严格控制。
对于 LS-DYNA 程序的显式时间积分算法，若给定了模
型的材料特性，则仿真的最小时间步长由最小单元尺寸控
制：对于给定的网格划分，
min
Δt 取决于材料的纵波速，它
是材料性质的函数（密度、弹性模量和泊松比）。由于仿真
我们采用 LS-DYNA 程序的 ALE (Arbitrary Lagrange-Euler )
列式来解决这个问题。ALE 列式先执行一个或几个 Lagrange
时步计算，此时单元网格随材料流动而产生变形，然后执行
ALE 时步计算：首先，保持变形后的物体边界条件，对内
部单元进行重分网格，网格的拓扑关系保持不变，称为
一种新型弹体结构的导弹分离动力学建模与仿真_王志刚
2.1.2 舱段绕质心转动的动力学方程 根据动量矩定理有
(2)
ddHt=M
(3)
式 (3)中 H为舱段相对与 O点的动量矩矢量 ;M为
作用在舱段的所有外力对点 O的主矩 。
将动力学矢 量方程式写成 在舱段弹体坐 标系
Taox22
oaTaxa2
a +a +a ya2
Taoya2
oaTaya2
(10)
axa2 =ax2 cos(δa -αa +α)+ay2 sin(δa -αa +α)
ay22 =-ax2 sin(δa -αa +α)+ay2 cos(δa -αa +α)
aTaoxa2 =-lω2zcos(δa -αa -σ)+lω﹒ zsin(δa -αa -σ)
科 学 技 术 与 工 程
ScienceTechnologyandEngineering
Vol.10 No.14 May2 010
2010 Sci.Tech.Engng.
一种新型弹体结构的导弹 分离动力学建模与仿真
王志刚 李 伟
(西北工业大学航天学院 , 西安 710072)
摘 要 根据一种新 型弹体结构 , 研究了导弹的分离 动力学 问题 。 为了 保证分 离过程 的安全 , 避免 弹头与 舱段 、整流 罩发生 碰撞 , 必须对分离过程中弹头 、舱段以及 整流罩的运动特性进行分析 。 推导了整流罩 锁死前和 舱段组成多 体系统的动 力学方 程并设计了整流罩锁死后舱段 和弹头的碰撞判断条件 。 通过计算机仿真 , 验 证了所建模 型的有效 性 , 得出 了分离过程 中整流 罩和舱段每一时刻的 运动参数以及铰链所受的作用力 , 并对计算结果进行 了分析 , 最 后验证采 用垂直分离 这种方案可 以安全 进行分离 。 关键词 导弹分离 多体系统 动力学建模 中图法分类号 V412.1; 文献标志码 A
《弹性板壳与流体耦合作用问题研究》
《弹性板壳与流体耦合作用问题研究》篇一一、引言在物理和工程领域中，弹性板壳与流体的耦合作用问题是一个复杂且具有挑战性的研究课题。
这种耦合作用在许多实际工程中都有广泛的应用，如船舶制造、航空航天、建筑结构等。
本文旨在探讨弹性板壳与流体耦合作用的基本原理、研究现状以及未来发展趋势。
二、弹性板壳与流体耦合作用的基本原理弹性板壳与流体的耦合作用主要涉及到力学、流体力学和材料学等多个学科。
其基本原理在于当流体在外部激励或内部力场的作用下流动时，会对周围具有弹性的板壳结构产生作用力，而板壳的变形又会影响流体的流动状态，从而形成一种复杂的耦合作用。
三、研究现状（一）国内外研究概况国内外学者在弹性板壳与流体耦合作用问题方面进行了大量的研究。
他们主要运用了理论分析、数值模拟和实验研究等方法，探讨了不同条件下弹性板壳与流体的相互作用机制。
目前，这一领域的研究已经取得了一定的进展，但仍存在许多有待深入研究的课题。
（二）关键问题的探讨1. 数学模型构建：如何建立准确的数学模型来描述弹性板壳与流体的耦合作用是当前研究的重点。
学者们需要综合考虑流体的流动状态、板壳的弹性特性以及外界的激励条件等因素，以构建更加完善的数学模型。
2. 数值模拟方法：数值模拟是研究弹性板壳与流体耦合作用的重要手段。
学者们需要不断改进和发展新的数值模拟方法，以提高模拟的准确性和效率。
3. 实验研究：实验研究是验证理论分析和数值模拟结果的重要手段。
通过实验研究，学者们可以更直观地了解弹性板壳与流体的相互作用过程，为理论分析和数值模拟提供依据。
四、研究方法及技术手段（一）理论分析：通过建立数学模型，运用力学、流体力学和材料学等理论对弹性板壳与流体的耦合作用进行理论分析。
（二）数值模拟：运用计算机技术，通过有限元分析、计算流体动力学等方法对弹性板壳与流体的耦合作用进行数值模拟。
（三）实验研究：通过设计实验装置，进行实验研究和观测，以验证理论分析和数值模拟结果的正确性。
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+
( xs - x1 )Φ2
( x2 - x1 ) ( x2 - xs )
+
( xs ( xs
x1 ) + ( xs - x1 ) ( xs -
- x2 )Φ
x2 )
s
(7)
52Φ 5x2
( xs ,
ys )
=
2Φ1
( x1 - x2 ) ( x1 - xs )
+
2Φ2
+
2Φ s
(8)
( x2 - x1 ) ( x2 - xs ) ( xs - x1 ) ( xs - x2 )
收稿日期 : 2008207202 作者简介 : 张小伟 (1984 - ) ,男 ,湖北广水人 ,博士生 , xwzhang1984@163. com.
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
Ab s tra c t: A fluid2structure interaction ( FSI) m ethod for the simulation of the motion of elastic structure under the unsteady aerodynam ic load induced by its motion was developed. For a given motion of the struc2 ture, the unsteady aerodynam ic load of incomp ressible fluid was solved by immersed boundary ( IB ) method w ithout the influence of elastic deform ation for fluid being considered. The transient dynam ic simulation of the thin2walled elastic structure was done. For a fairing separation in the ground test state, by comparing the de2 form ation of fairing in different cases: rigid, flexible structure w ith or w ithout surface loading, the feasibility of the FSI method is verified.
而当前国内的大多数研究仅限于对刚体自身冲击 式运动的仿真 ,而这并未考虑整流罩运动过程中 变形的影响.
随着柔性多体动力学和计算机辅助工程的飞 速发展 ,系统地解决整流罩动特性问题已经成为 可能. 本文采用通用软件 ANSYS和 ADAM S联合 求解建立了一种考虑弹性结构的方法 ,并开发了 基于 IB ( Immersed Boundary)方法的 Fortran程序 , 对结构运动与周围空气介质之间的相互作用进行 了初步研究 ,分析了过顶前整流罩的动态过程 ,并 对比分析了刚性结构 、柔性不加载和柔性加载等 情况.
式中 ,Φi ( i = 1, …, 8)是位于节点周围 8个流场网
格点上的流场值 ,同理可得到 y和 z向的插值式.
物面边界节点上的力 F s 求得之后 ,需要计算 出其在周围流场网格节点 ( i, j, k)上的影响力或
称欧拉力 F i, j, k , 从而影响流场方程的求解. 本文
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
采用体积加权平均 [3 ]外推得到
其中
D i, j, k ( xs ) = d ( xs - xi ) d ( ys - yj ) d ( zs - zk )
(5)
d ( xs - xi )
=
( xs ( xi
-
xi+1 ) xi+1 )
if xi < xs
d ( xs - xi ) = 1
if xi = xs ( 6)
d ( xs - xi )
= ( xs - xi- 1 ) ( xi - xi- 1 )
if xi > xs
式 ( 3)中的压力和速度导数采用 2阶拉格朗日多
项式近似. 若将各种变量统一表示为 Φ,则其 x方
向的 1阶和 2阶导数可分别表示为
5Φ 5x
(
xs ,
ys
)
=
( xs - x2 )Φ1
( x1 - x2 ) ( x1 - xs )
第 8期 张小伟等 :弹性整流罩分离的流固耦合仿真方法
977
1 计算方法
本文介绍了弹性结构运动的流固耦合仿真方 法 ,其中包括运动边界的流体力学数值分析 、固体 有限元模型的动力学分析及流体力学和固体动力 学之间的数值信息传递 ,即流场压力如何传递到 固体域中运动物体的有限元模型的各个节点上. 1. 1 冲击式非定常运动的数值仿真方法
第200395卷年
第
8月 8期
北京航空航天大学学报 Journal of Beijing University of Aeronautics and A stronautics
A ugu st 2009 Vol. 35 No18
弹性整流罩分离的流固耦合仿真方法
张小伟 王延荣 谢胜百 单 鹏
为广义力列阵 ;ρ为对应于完整约束的拉氏乘子
列阵 ;μ为对应于非完整约束的拉氏乘子列阵.
由于拉格 朗 日 方 程 采 用 了 不 独 立 的 广 义 坐
标 ,上述的动力学方程是耦合的非线性微分代数 方程 ,因此 ,在进行刚体系统 (特征值变化范围大 的系统 )动力学分析时 , 需要有效的数值积分方 法来处理. 通用软件 ADAM S就是采用了功能强 大的 GSTIFF积分器 、DSTIFF积分器和 BDF积分 器用 Gear预估 2校正算法来数值求解上述的动力 学方程.
Zhang Xiaowei W ang Yanrong Xie Shengbai Shan Peng
( School of Jet Propulsion, Beijing University of Aeronautics and A stronautics, Beijing 100191, China)
关 键 词 : 整流罩 ; 流固耦合 ; 侵入式边界 ; 动力学 中图分类号 : V 215. 3 文献标识码 : A 文 章 编 号 : 100125965 (2009) 0820976204
F lu id2s truc tu re in te ra c tio n m e tho d o n num e rica l s im u la tio n o f e la s tic fa iring sep a ra tio n
∑ F i, j, k
=
1 Nb
Nb
D i,
n =1
j, k
( xs )
Fn
( xs )
(9)
式中 , N b 是对节点 ( i, j, k)产生影响的边界节点 s 的个数. 经过外推 ,边界上 s点的力源被分布到了
与之距离为 O (Δx,Δy,Δz)的诸流场节点上. 文献
[ 6 ]指出这种外推只有 1阶精度.
Crank2N icolson半隐式格式 ,而空间离散均采用 2
阶精度格式. 采用基于 M ac型交错网格的压力校
正投影法或称压力校正分裂步法求解差分控制方
程组. 另外 , 利用多重网格法来加速收敛 , 对求得 的压力和速度进行校正 , 判断校正后的速度场是 否满足连续性方程 ( 11 ) , 满足即进入下一时间 层 ,否则将求得的压力场作为初值重新迭代. 1. 2 结构分析
在结构分析中 , 需要考虑结构位形和结构变 形这两方面的作用 ,因此 ,必须分别考虑刚性结构 和柔性结构.
1) 刚性分析 刚体动力学分析时 , 采用刚体的质心笛卡儿 坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标 , 通 过拉格朗日乘子建立系统的普遍动力学方程 :
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随着运载的需求 ,整流罩结构越来越向大型 发展 ,而大型整流罩结构的柔性相对增加 ,因此 , 在整流罩分离时极易发生扭转和弯曲等各种形式 的振动 [ 2 ] ,这导致整流罩分离动力学以及变形对 卫星等的影响问题变得更为突出. 早期研究此类 问题的方法是将柔性多体动力学模型退化为多刚 体系统动力学模型和结构动力学模型 ,分别求解 后再进行叠加 ,最终给出分离安全包络曲线 [ 2 ].
对于主控方程 ( 1) ,其差分控制方程组为
un +1 - un
Δt
=-
(u·
Δ
u ) n +1 /2 -
Δ
pn +1 +
(Δun +1 +Δun ) / ( 2R e) + F n +1 /2
( 10 )
Δ
·un +1 = 0
( 11 )
为提高较高雷诺数下的数值稳定性 , 对流项
采用 基于 Godunov 法 的迎 风格 式 , 粘 性项 采 用
Ke y wo rd s: fairing; fluid2structure interaction; immersed boundary; dynam ics
当运载火箭在大气中飞行时 ,卫星整流罩用 于保护卫星及其它有效载荷 ,以防止卫星受气动 力 、气动加热及声振等有害环境的影响 ,它是运载 火箭的重要组成部分 [ 1 ] .
Δ
Δ
的速度 us ( xs ) 、速度梯度 us 与压强梯度 ps. 本