CN103699756B - 松耦合模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种载荷传递模拟方法包括：将弹性构件的外形部分离散化为流体网格模型的步骤，对弹性构件的结构部分离散化为有限元模型的步骤；将流体网格模型和有限元模型都分成多个部分的分割步骤；建立流体网格模型和有限元模型之间的载荷传递关系的步骤；在预定流场内进行流体动力模拟以获得各表面网格区块内的与各网格相关联的流体动力载荷，根据载荷传递关系，流体动力载荷以插值法被加载到对应的有限元区块上的步骤；模拟并获得有限元模型的结构变形，转换为流体网格模型的变形的步骤；以及获得弹性构件的变形量的步骤。

Description

松耦合模拟系统及方法

技术领域

本发明涉及一种松耦合模拟系统及方法。

背景技术

耦合方法用于结构和流体动力相互作用的模拟。弹性结构(如飞机的机翼、高层建筑、桥梁等)在流体中受到流体动力(阻力和升力)的影响作用产生较大变形并在结构中产生应力，结构变形又反过来影响流体动力。为在考虑结构动力和流体动力耦合条件下分析弹性结构的变形及受载，需要松耦合系统对这种现象进行模拟。

由于流体动力和结构动力无法用统一的方法精确模拟，需要采用基于互相独立的流体动力模拟系统和结构动力模拟系统的耦合方法。在耦合中将流体的区域离散为流体网格，将结构的区域离散为有限元，二者轮流进行模拟，并在两个区域的边界上交换数据。流体网格向有限元传递的数据为载荷，即流体在结构上的压力。耦合模拟最终结果的准确性很大程度上取决于载荷传递的准确性。

在载荷传递过程中通常有如下几种方法：

1、映射方法，其按空间位置自动匹配结构单元和流体单元，进行载荷传递，当有限元和网格在交界面上差异较大时，难以保证能量守恒；

2、插值方法，其将全部结构单元和流体单元参与三维插值，自动化程度较高，在边界载荷传递过程中可以保证能量守恒，但对于大展弦比飞机机翼的情况，难以保证力矩分布在传递前后保持一致；

3、积分方法，其按结构部件划分区域，将流体区域载荷积分为一个点的载荷，再加载到结构上，积分方法需要过多的人工干预，难以在复杂结构模型上实现，无法实现自动松耦合。

发明内容

本发明的目的在于：在采用松耦合系统和流程的基础上，提供一种松耦合模拟系统及方法，通过在载荷传递中对传递区域进行分割，在模拟中实现准确的载荷传递，同时保证能量守恒和高度自动化。

本发明是这样实现的：

在松耦合模拟系统中，结构动力和流体动力轮流进行模拟，并在界面上交换信息，来实现二者互相作用下的模拟。由于结构动力模拟和流体动力模拟在二者的交界面上无法吻合，故，为了保证载荷传递前后的一致性，在传递时将交界面用平面分割为若干区域。在每个区域内包含若干流体模型上的单元点和结构模型上的单元点。每个区域内的流体单元点和结构单元点设置为匹配关系，按照匹配关系，将流体单元点上的载荷采用插值方法传递到结构单元点上。

区域分割按照以下原则：

1、每个分割区域内至少包含四个以上不在同一平面内的单元；

2、分割时分割平面数量大于1，至少分割出两个区域。

3、选定某一分割方向，分割平面均平行于该方向，各分割平面夹角可以是0°-180°之间的任意角度。

4、每个流体单元必须在某个分割区域内设置了匹配结构单元，不能漏掉任何一个流体单元使其不参加载荷传递；

区域分割载荷传递可用于流体和结构的耦合模拟，例如可以用于气动弹性、桥梁风载等分析。

一般插值方法在分布上都具有一定的误差，插值区域分割后，整体上减小了误差，同时保持插值方法所具有的守恒性和易于实现的优点。

具体地，本发明公开了一种用于模拟弹性构件在流体中变形和受载的松耦合模拟方法，其包括：

建模步骤，将所述弹性构件的用于形成流体动力面的外形部分离散化为流体网格模型；对所述弹性构件的位于所述外形部分内并用于支撑所述外形部分的结构部分离散化为有限元模型；

分割步骤，将所述流体网格模型和所述有限元模型都分成多个部分，其中，每个部分包括一个表面网格区块和与其对应的一个有限元区块；

载荷传递关系建立步骤，建立所述流体网格模型和所述有限元模型之间的载荷传递关系；

流体动力模拟和载荷传递步骤，在预定流场内进行流体动力模拟以获得各表面网格区块内的与各网格相关联的流体动力载荷，根据所述载荷传递关系，所述流体动力载荷以插值法被加载到对应的有限元区块上；

结构变形模拟和变形转换步骤，模拟并获得所述有限元模型的结构变形，转换为所述流体网格模型的变形；

重复所述流体动力模拟和载荷传递步骤以及所述结构变形模拟和变形转换步骤，获得所述弹性构件的变形量。

具体地，所述弹性构件为飞机的翼。所述外形部分为构成所述飞机的翼的蒙皮。所述结构部分为所述飞机的翼的骨架。

具体地，所述流体动力模拟的计算机程序为采用NS方程或欧拉方程的CFD解算程序，所述结构变形模拟的计算机程序为采用线性或非线性有限元分析的结构解算程序，所述载荷传递通过插值算法程序实现。

具体地，在所述松耦合模拟方法中，当所述流体网格模型的变形量收敛于特定值时，终止所述流体动力模拟和载荷传递步骤以及所述结构变形模拟和变形转换步骤。

具体地，在所述分割步骤中，将所述流体网格模型分成所述表面网格区块的分割面与将所述有限元模型分成对应的有限元区块的分割面是相同的。

更具体地，所述分割面基本平行于某一选定方向，各个分割平面之间夹角不做限定。

具体地，所述分割部分所分成的每个部分至少包含四个不在同一平面的流体网格点以及四个不在同一平面的结构有限元节点。

根据本发明的另一方面，还公开了一种用于模拟弹性构件在流体中变形和受载的松耦合模拟系统，所述弹性构件包括用于形成流体动力面的外形部分和用于支撑所述外形部分的结构部分，所述松耦合模拟系统包括：流体动力模拟模块，用于形成模拟环境，并将所述弹性构件的外形部分离散化为流体网格模型，再对所述流体网格模型进一步地分割以分成多个表面网格区块；结构动力模拟模块，用于将所述弹性构件的结构部分离散化为有限元模型，再对有限元模型进一步分割以分成多个分别与所述表面网格区块对应的有限元区块；载荷传递模块，用于将所述流体动力模拟模块中的表面网格区块的表面压力对应地传递到所述结构动力模拟模块的有限元区块上；其中，在所述表面网格区块的表面压力下，所述结构动力模拟模块的有限元区块发生变形；以及网格变形模块，用于使所述流体网格模型的表面网格区块随着所述有限元模型的有限元区块的变形而变形。

附图说明

为了解释本发明，将在下文中参考附图描述其示例性实施方式，附图中：

图1示意性地示出了本发明的弹性构件的松耦合模拟方法的流程图；

图2示意性地示出了本发明的弹性构件的松耦合模拟系统的模块构成图；

图3示意性地示出了作为弹性构件的机翼的示意图；

图4示意性地示出了图3的机翼根据本发明的方法被分割前的示意图；以及

图5示意性地示出了图3的机翼根据本发明的方法被分割后的示意图。

不同图中的相似特征由相似的附图标记指示。

具体实施方式

在以下的实施方式的详细描述中，参照构成该描述的一部分的附图进行说明。附图以示例的方式展示出特定的实施方式，本发明被实现在这些实施方式中。所示出的实施方式不是为了穷尽根据本发明的所有实施方式。可以理解，其他的实施方式可以被利用，结构性或逻辑性的改变能够在不脱离本发明的范围的前提下被做出。对于附图，方向性的术语，例如“下”、“上”、“左”、“右”等，是参照所描述的附图的方位而使用的。由于本发明的实施方式的组件能够被以多种方位实施，这些方向性术语是用于说明的目的，而不是限制的目的。因此，以下的具体实施方式并不是作为限制的意义，并且本发明的范围由所附的权利要求书所限定。

如图1和图2所示，公开了一种弹性构件的松耦合模拟方法100。具体地，该松耦合模拟方法100包括：

建模步骤102，将所述弹性构件的用于形成流体动力面的外形部分离散化为流体网格模型；对所述弹性构件的位于所述外形部分内并用于支撑所述外形部分的结构部分离散化为有限元模型；

分割步骤104，将所述流体网格模型和所述有限元模型都分成多个部分，其中，每个部分包括一个表面网格区块和与其对应的一个有限元区块；

载荷传递关系建立步骤106，建立所述流体网格模型和所述有限元模型之间的载荷传递关系；

流体动力模拟和载荷传递步骤108，在预定流场内进行流体动力模拟以获得各表面网格区块内的与各网格相关联的流体动力载荷，根据所述载荷传递关系，所述流体动力载荷以插值法被加载到对应的有限元区块上;

结构变形模拟和变形转换步骤110，模拟并获得所述有限元模型的结构变形，转换为所述流体网格模型的变形；

重复所述流体动力模拟和载荷传递步骤以及所述结构变形模拟和变形转换步骤112，获得所述弹性构件的变形量。

该松耦合模拟方法100通过模拟系统200来实现。具体地，该模拟系统200包括流体动力模拟模块202、载荷传递模块204、结构动力模拟模块206和网格变形模块208。

该流体动力模拟模块202可以由诸如采用NS方程或欧拉方程的CFD解算程序的计算机程序来实现，在此，该弹性构件的外形部分被离散化为流体网格模型。进一步地，在该流体动力模拟模块202中，可以对流体网格模型进行分割以分成多个表面网格区块。这样，可以在模拟的流场内进行模拟，该流场内的流体可以具有选定的温度、速度、湿度、高度等有用的物理信息，即，预定的模拟环境，藉此，前述的表面网格区块的每个网格会对流体的物理信息作出反应，诸如承受的表面压力。

载荷传递模块204可以由诸如通过插值算法程序实现，该模块用于将流体动力模拟模块202中的各表面网格区块的网格的表面压力传递到结构动力模拟模块206的结构上。

结构动力模拟模块206可以由诸如采用线性或非线性有限元分析的结构解算程序的计算机程序来实现，在此，该弹性构件的结构部分被离散化为有限元模型。进一步地，在该结构动力模拟模块206中，可以对有限元模型进行分割以分成多个有限元区块。这样，前述外形部分的各表面网格区块的各网格上的载荷会通过载荷传递模块204以插值法传递并加载到相应的有限元区块上。即，在表面网格区决的表面压力的作用下，该有限元模型的有限元区块会随着发生变形。

网格变形模块208可以由诸如通过插值算法程序来实现，该模块用于使流体网格模型的表面网格区块随着前述的有限元模型的有限元区块变形而变形。

进一步地，变形后的流体网格模型在前述流体动力模拟模块的模拟的流场(该流体的物理信息与前述流场的流体物理信息相同)中所作出反应(诸如表面压力)会与前面的反应有所不同，然后再将该压力作用在有限元模型上。这样，在流体动力模拟模块202、载荷传递模块204、结构动力模拟模块206和网格变形模块208中重复进行模拟，只有当变形量收敛，可以认为模拟完成。

下面，结合图3、图4和图5，以飞机机翼为弹性构件的示例进行具体说明。

首先，对飞机机翼的结构部分和气动外形部分进行建模。具体地，飞机机翼的气动外形部分由机翼蒙皮302限定，结构部分为骨架，该骨架至少包含若干个肋304。结构部分可以建立为有限元模型，气动外形部分可以建立为流体网格模型，对流体网格模型和有限元模型可以同时进行区域分割，流体网格模型的分割面306和有限元模型的分割面308均为空间平面。可以从机翼翼根处的肋结构开始，每隔两个肋建立一个分割面，直至翼稍处。分割面可以位于相邻两个肋所在平面的中间。确定分割平面后，形成若干个区域，每个区域内有一个表面网格区块310和一个有限元区块312。

按照图1所示流程进行耦合模拟的迭代过程，首先进行气动力模拟获得气动外形部分的表面网格上的载荷。在气动力载荷加载到结构部分的过程中，仅在每个分割区域按照预定的函数关系将表面网格区块310上的气动力载荷加载到有限元区块312上，并以插值法传递。

一般的插值方法不进行分区域处理，与一般插值方法相比，本发明的方法将流体网格模型和有限元模型分割后，按区域分别进行插值，获得所有表面网格区块310的载荷后，进行有限元区块312的结构变形的模拟以获得结构变形，再将结构变形插值为流体网格模型的各网格的变形，然后再进行气动模拟以获得气动变形。反复进行上述过程直至变形量收敛，至此即通过流固耦合模拟得到机翼的变形量。

那些本技术领域的一般技术人员可以通过研究说明书、公开的内容及附图和所附的权利要求书，理解和实施对披露的实施方式的其他改变。在权利要求中，措词“包括”不排除其他的元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。在发明的实际应用中，一个零件可能执行权利要求中所引用的多个技术特征的功能。权利要求中的任何附图标记不应理解为对范围的限制。

本发明不以任何方式限制于在说明书和附图中呈现的示例性实施方式。示出以及描述的实施方式(的部分)的所有组合明确地理解为并入该说明书之内并且明确地理解为落入本发明的范围内。而且，在如权利要求书概括的本发明的范围内，很多变形是可能的。此外，不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本发明的范围。

Claims (8)

1.一种用于模拟弹性构件在流体中变形和受载的松耦合模拟方法，其包括：

建模步骤，将所述弹性构件的用于形成流体动力面的外形部分离散化为流体网格模型；对所述弹性构件的位于所述外形部分内并用于支撑所述外形部分的结构部分离散化为有限元模型；

分割步骤，将所述流体网格模型和所述有限元模型都分成多个部分，其中，每个部分包括一个表面网格区块和与其对应的一个有限元区块；

载荷传递关系建立步骤，建立所述流体网格模型和所述有限元模型之间的载荷传递关系；

流体动力模拟和载荷传递步骤，在预定流场内进行流体动力模拟以获得各表面网格区块内的与各网格相关联的流体动力载荷，根据所述载荷传递关系，所述流体动力载荷以插值法被加载到对应的有限元区块上；

结构变形模拟和变形转换步骤，模拟并获得所述有限元模型的结构变形，转换为所述流体网格模型的变形；

重复所述流体动力模拟和载荷传递步骤以及所述结构变形模拟和变形转换步骤，获得所述弹性构件的变形量，

在所述分割步骤中，将所述流体网格模型分成所述表面网格区块的分割面与将所述有限元模型分成对应的有限元区块的分割面是相同的，所述分割面基本平行于某一选定方向，所述分割步骤所分成的每个部分至少包含四个不在同一平面的流体网格点以及四个不在同一平面的结构有限元节点。

2.根据权利要求1所述的松耦合模拟方法，其中，所述弹性构件为飞机的翼。

3.根据权利要求2所述的松耦合模拟方法，其中，所述外形部分为构成所述飞机的翼的蒙皮。

4.根据权利要求2所述的松耦合模拟方法，其中，所述结构部分为所述飞机的翼的骨架。

5.根据权利要求1所述的松耦合模拟方法，其中，所述流体动力模拟的计算机程序为为采用NS方程或欧拉方程的CFD解算程序，所述结构变形模拟的计算机程序为采用线性或非线性有限元分析的结构解算程序，所述载荷传递关系建立步骤通过计算机程序为插值算法程序来实现。

6.根据权利要求1所述的松耦合模拟方法，其中，在所述松耦合模拟方法中，当所述流体网格模型的变形量收敛于特定值时，终止所述流体动力模拟和载荷传递步骤以及所述结构变形模拟和变形转换步骤。

7.根据权利要求1所述的松耦合模拟方法，其中，所述分割面基本平行于所述弹性构件的结构部分中的主承载元件的延伸方向。

8.一种用于模拟弹性构件在流体中变形和受载的松耦合模拟系统，所述弹性构件包括用于形成流体动力面的外形部分和用于支撑所述外形部分的结构部分，所述松耦合模拟系统包括：

流体动力模拟模块，用于形成模拟环境，并将所述弹性构件的外形部分离散化为流体网格模型，再对所述流体网格模型进一步地分割以分成多个表面网格区块；

结构动力模拟模块，用于将所述弹性构件的结构部分离散化为有限元模型，再对有限元模型进一步分割以分成多个分别与所述表面网格区块 对应的有限元区块；

载荷传递模块，用于将所述流体动力模拟模块中的表面网格区块的表面压力对应地传递到所述结构动力模拟模块的有限元区块上；其中，在所述表面网格区块的表面压力下，所述结构动力模拟模块的有限元区块发生变形；

以及

网格变形模块，用于使所述流体网格模型的表面网格区块随着所述有限元模型的有限元区块的变形而变形。