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平流层飞艇绕流场与膜结构大变形的耦合计算

刘建闽  
【摘要】: 平流层飞艇(平台)是一种典型的临近空间飞行器,在民用与国防中都有着广泛的应用前景,为当前世界各国的研究热点。平流层飞艇外部蒙皮采用膜结构,膜结构整体刚度较小,为柔性结构,其非线性大变形与周围流场的相互作用是一个复杂的流固耦合问题。要更准确地把握这类问题的力学性能,并使膜结构在工程应用中得到进一步优化,了解结构和流场之间的相互影响是关键。本文通过理论分析,建立了三维流场与薄膜结构大变形耦合作用的数学模型,自主开发了模拟流固耦合的计算软件,用以分析薄膜与流场相互影响下飞艇的气动特性及其变化,研究了平流层飞艇定点平飞状态下的气弹性特性。 本文主要工作如下: 1.建立了三维流场和膜结构大变形耦合求解的数学模型与计算方法。对于三维流场的求解,其控制方程建立在连续性方程和雷诺平均Navier-Stokes方程的基础上,湍流模式采用了标准的k ?ε两方程模型及低雷诺数修正模型。流场数值模拟采用基于有限体积法的压力修正SIMPLE算法,采用SIP法迭代求解方程组。对于膜结构大挠度柔性变形分析,其数学模型建立在膜结构的非线性几何关系、本构关系及结构平衡方程的基础上。结构变形的数值模拟采用了非线性有限元分析方法,利用更新的Lagrange格式增量方法来保证大变形计算的求解精度,并通过Newton-Raphson迭代法求解所得的非线性方程。 2.建立了适用于三维流场中膜结构分析的紧耦合计算方案,解决了流固耦合计算中网格变形和界面信息交换问题。应用网格分块方法以实现在较复杂的形体中建立结构化流场网格,采用无限插值方法实现流场网格的自动生成,以此解决了耦合迭代计算中流场边界网格变形的问题。通过薄片样条法插值来实现流场和结构之间的信息交换。 3.自主开发了流固耦合计算程序,并整合了流场分析、结构分析、网格生成及界面交换技术等程序模块。通过现有的理论和实验实例来验证程序的正确可靠,为工程设计和分析提供了有用的数值计算工具。 4.研究了平流层定点静飞状态下的飞艇气弹性特性。通过建立不同的计算模型和流动条件,分别讨论裸艇和带舵全艇的气弹性特性,通过分析各模型间的气动力参数变化、压力场分布差异以及变形量分布等特征来较为全面地了解柔性飞艇的气弹性特性。着重研究了来流攻角、速度、艇身长度、不同材料刚性以及不同定点工作压差等因素下飞艇的气弹性对飞艇气动力参数、压力分布以及结构变形的影响,可以为平流层飞艇的气动、结构、动力和控制系统分析和设计提供理论依据。


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