CN109783978A - 一种基于ANSYS Workbench的微型扑翼飞行器气动数值仿真方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于ANSYS Workbench的微型扑翼飞行器气动数值仿真方法,其特征在于它包括以下步骤:步骤1.确定微型扑翼机的几何外形,根据空气动力学理论和相关经验公式确定流场的计算域和流固耦合作用区域;步骤2.利用三维建模软件建立FMAV的特征模型和流场计算域;步骤3.在ANSYS环境下进行双向流固耦合分析,其中,利用有限体积法在fluid flow模块中进行计算流体分析,利用有限元法在transient structure模块中进行固体计算分析,利用system coupling系统耦合器实现有限体积法和有限元法的数据映射传递;步骤4.计算完成后,点击fluid flow的Results和transient structure的Model查看结果,得到仿真数据并保存。本发明简单易行,操作方便,速度快,准确性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种CAE计算机辅助工程技术,尤其是一种针对微型扑翼飞行器的气动数值仿真计算方法,具体地说是一种基于ANSYS Workbench的微型扑翼飞行器气动数值仿真方法。
背景技术
微型扑翼飞行器(Flapping Micro Aerial Vehicle,FMAV)具有体积小、重量轻、隐密性好、飞行效率高、操纵性强等特点,在军民领域都有极高的应用前景。其中,FMAV的设计一般遵循仿生学和空气动力学原理,升力主要由机翼的扑动产生。但是按照常规的非定常低雷诺数空气动力学理论设计,过程十分困难、繁琐。随着计算机技术和计算流体力学的发展,采用数值仿真方法进行FMAV设计具有成本低,速度快,效率高等优点。然而目前的计算机辅助飞行器设计技术主要针对固定翼飞行器,针对扑翼飞行器的较少。中国专利《CN200710099599-一种柔性翼微型飞行器的流固耦合数值仿真方法》描述的是利用CFX等软件实现对固定翼MAV双向流固耦合的求解,其柔性翼产生的被动变形的原因均来自气动力,而扑翼机变形主要原因来自扑翼机自身的主动扑翼运动所引起的变形。因此,需要寻找合适的仿真方法,而利用Fluent等软件实现对扑翼MAV的双向流固耦合求解,针对扑翼飞行器主动扑翼变形引起流场变化的特点,结合ANSYS Workbench算法适应性强、操作较简单等优点是一种较为理想的仿真方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有的微型扑翼飞行器仿真方法不能准确仿真主动扑翼运动所引起的变形的问题,发明一种基于ANSYS Workbench的微型扑翼飞行器气动数值仿真方法。。
本发明的技术方案是:
一种基于ANSYS Workbench的微型扑翼飞行器气动数值仿真方法,其特征在于它包括以下步骤:
步骤1. 确定微型扑翼机(FMAV)的几何外形,根据空气动力学理论和相关经验公式确定流场的计算域和流固耦合作用区域;
步骤2. 利用三维建模软件建立FMAV的特征模型和流场计算域;
步骤3. 在ANSYS环境下进行双向流固耦合分析,其中,利用有限体积法在fluid flow(Fluent)模块中进行计算流体分析,利用有限元法在transient structure模块中进行固体计算分析,利用system coupling系统耦合器实现有限体积法和有限元法的数据映射传递;
步骤4. 计算完成后,点击fluid flow(Fluent)的Results和transient structure的Model查看结果,得到仿真数据并保存。
所述的三维建模软件建立FMAV的特征模型和流场计算域所采用的软件为CATIAv5,具体步骤为:
步骤2.1 固体域创建;利用CATIA v5 的“零件设计”模块获得相关的三维零部件模型,利用“CATIA v5的装配设计”模块确定零部件的相互关系,完成装配;
步骤2.2 格式转换;利用CATIA v5 的“装配设计”模块将FMAV调至运动初始状态,将装配体格式变为零件格式,方便接下来的流体域创建;
步骤2.3 流体域创建;将步骤2.2获得的CATpart复制、选择性粘贴至流体域的part内,利用CATIA v5 的“布尔操作”的“subtract”挖去流体域中和固体重叠的部分,得到最终的计算流体域;
步骤2.4 导出流体域和固体域;将步骤2.1获得的固体域和步骤2.3获得的流体域转成stp格式并导出,以便接下来导入ANSYS分析。
所述的利用system coupling系统耦合器实现有限体积法和有限元法的数据映射传递包括以下步骤:
步骤3.1 创建工作模块及其传递关系;将“analysis system”下的fluid flow(Fluent)和transient structure、“component system”下的“system coupling”拖入工程面板,手动连线建立传递关系;
步骤3.2 导入流体域和固体域生成的stp文件;
步骤3.3 划分流体网格;双击ANSYS Workbench软件中的fluid flow(Fluent)的mesh,点击“suppress”抑制已生成的固体域,然后点击ANSYS Workbench软件中的“generatemesh”生成CFD网格;
步骤3.4 流体域求解设置;双击fluid flow(Fluent)的set up,将求解类型改为“transient”瞬态;选择realizable k-ε模型,选择材料为“air”空气,将入口“inlet”和“outlet”出口分别设置成压力入口和压力出口,表压强均为0Pa;设置动网格“Dynamicmesh”参数,Methods中改为“coupled”耦合求解,调库朗数为100;设置瞬态求解时间,初始化后退出;
步骤3.5 固体域求解设置;双击transient structure的Model,点击“suppress”抑制已生成的流体域,并赋予零部件相应的材料属性;设置重力、流固耦合面、各零部件之间的相对运动关系以及扑翼机扑动的运动参数;设置求解时间和子步数,划分网格;
步骤3.6 系统求解器的设置;双击system coupling的setup;建立流体面和固体面的映射关系,在“analysis setting”设置总体求解时间,点击“update”进行流固耦合求解计算。
本发明的有益效果:
本发明则利用Fluent等软件实现。 扑翼MAV的双向流固耦合求解,能区分反映变形主要原因来自扑翼机自身的主动扑翼运动所引起的变形的特点。
本发明简单易行,操作方便,速度快,准确性高。
通过本发明方法获得的流场的气动特性相关数据,如压力云图,升力、阻力曲线以及固体场的应力、应变云图,有利于快速判断结构的可靠性和布局的合理性,为优化结构优化提供了准确的参考依据。
附图说明
图1是本发明的结构框架图。
图2是本明FMAV的气动计算实现流程图。
图3是本明 ANSYS Workbench下流固耦合数据传递图。
图4是本明流体域各个面命名图。
图5是本明动网格参数设置图。
图6是本明流体FVM求解器参数设置图。
图7是本明FMAV主动扑翼运动参数图。
图8是本明固体FEM求解器参数设置图。
图9是本明 System Coupling耦合求解器参数设置图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-9所示。
一种基于ANSYS Workbench的微型扑翼飞行器气动数值仿真方法,它先进行固体域和流体域的建模(即前处理),再在ANSYSWorkbench环境下分别设置固体场和流体场的参数(求解器),然后通过SystemCoupling系统耦合器由固体运动驱动流场变化,最后获得最终的气动相关数据(后处理),如图1所示。具体包括以下步骤(如图2):
步骤1. 确定微型扑翼机(以下简称FMAV)的几何外形,根据空气动力学理论和相关经验公式确定流场的计算域和流固耦合作用区域。
步骤2. 在相关三维建模软件中建立FMAV的特征模型和相关的流场计算域。例如以CATIA v5软件为例,其操作步骤如下:
步骤2.1 固体域创建。在“零件设计”等模块获得相关的三维零部件模型,在“装配设计”模块确定零部件的相互关系,完成装配。
步骤2.2 格式转换。在“装配设计”模块将FMAV调至运动初始状态,点击“工具”下的“从产品生成CATpart”,将装配体格式变为零件格式,方便接下来的流体域创建。
步骤2.3 流体域创建。依照相关理论创建需要计算的流体域,将步骤2.2获得的CATpart复制、选择性粘贴至流体域的part内,利用“布尔操作”的“subtract”挖去流体域中和固体重叠的部分,得到最终的计算流体域。
步骤2.4 导出流体域和固体域。将步骤2.1获得的固体域和步骤2.3获得的流体域转成stp格式并导出,以便接下来导入ANSYS分析。
步骤3. 在ANSYS环境下进行双向流固耦合分析,其中,利用有限体积法在fluidflow(Fluent)模块进行计算流体分析,利用有限元法在transient structure模块进行固体计算分析,利用system coupling系统耦合器实现有限体积法和有限元法的数据映射传递,其操作步骤如下:
步骤3.1 创建工作模块及其传递关系。将“analysis system”下的fluid flow(Fluent)和transient structure、“component system”下的“system coupling”拖入工程面板,手动连线实现图3所述的传递关系。
步骤3.2 导入步骤2.4生成的stp文件。
步骤3.3 划分流体网格。双击fluid flow(Fluent)的mesh,点击“suppress”抑制步骤2.1生成的固体域,然后按图4所示依次命名这些面,点击“generate mesh”生成CFD网格。
步骤3.4 流体域求解设置。双击fluid flow(Fluent)的set up,将求解类型改为“transient”瞬态。选择realizable k-ε模型,选择材料为“air”空气,将入口“inlet”和“outlet”出口分别设置成压力入口和压力出口,表压强均为0Pa。在动网格“Dynamic mesh”中按图5所示设置。Methods中改为“coupled”耦合求解,调库朗数为100。瞬态求解时间按图6设置,初始化后退出。
步骤3.5 固体域求解设置。双击transient structure的Model,点击“suppress”抑制步骤2.3生成的流体域,并赋予零部件相应的材料属性。如图7所示设置重力、流固耦合面、各零部件之间的相对运动关系,以及扑翼机扑动的运动参数。图7表征由扑翼引起的固体域的主动变形,在接下来的耦合求解将带动流体域变形。如图8所示设置求解时间和子步数,按相关要求划分网格。
步骤3.6 系统求解器的设置。双击system coupling的setup。如图9所示建立流体面和固体面的映射关系,在“analysis setting”设置总体求解时间,点击“update”进行流固耦合求解计算。
步骤4. 计算完成后,点击fluid flow(Fluent)的Results和transientstructure的Model查看结果,得到仿真数据并保存。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (3)
1.一种基于ANSYS Workbench的微型扑翼飞行器气动数值仿真方法,其特征在于它包括以下步骤:
步骤1. 确定微型扑翼机(FMAV)的几何外形,根据空气动力学理论和相关经验公式确定流场的计算域和流固耦合作用区域;
步骤2. 利用三维建模软件建立FMAV的特征模型和流场计算域;
步骤3. 在ANSYS环境下进行双向流固耦合分析,其中,利用有限体积法在fluid flow(Fluent)模块中进行计算流体分析,利用有限元法在transient structure模块中进行固体计算分析,利用system coupling系统耦合器实现有限体积法和有限元法的数据映射传递;
步骤4. 计算完成后,点击fluid flow(Fluent)的Results和transient structure的Model查看结果,得到仿真数据并保存。
2.根据权利要求1所述的仿真方法,其特征是所述的三维建模软件建立FMAV的特征模型和流场计算域所采用的软件为CATIA v5,具体步骤为:
步骤2.1 固体域创建;利用CATIA v5 的“零件设计”模块获得相关的三维零部件模型,利用“CATIA v5的装配设计”模块确定零部件的相互关系,完成装配;
步骤2.2 格式转换;利用CATIA v5 的“装配设计”模块将FMAV调至运动初始状态,将装配体格式变为零件格式,方便接下来的流体域创建;
步骤2.3 流体域创建;将步骤2.2获得的CATpart复制、选择性粘贴至流体域的part内,利用CATIA v5 的“布尔操作”的“subtract”挖去流体域中和固体重叠的部分,得到最终的计算流体域;
步骤2.4 导出流体域和固体域;将步骤2.1获得的固体域和步骤2.3获得的流体域转成stp格式并导出,以便接下来导入ANSYS分析。
3.根据权利要求1所述的仿真方法,其特征是所述的利用system coupling系统耦合器实现有限体积法和有限元法的数据映射传递包括以下步骤:
步骤3.1 创建工作模块及其传递关系;将“analysis system”下的fluid flow(Fluent)和transient structure、“component system”下的“system coupling”拖入工程面板,手动连线建立传递关系;
步骤3.2 导入流体域和固体域生成的stp文件;
步骤3.3 划分流体网格;双击ANSYS Workbench软件中的fluid flow(Fluent)的mesh,点击“suppress”抑制已生成的固体域,然后点击ANSYS Workbench软件中的“generatemesh”生成CFD网格;
步骤3.4 流体域求解设置;双击fluid flow(Fluent)的set up,将求解类型改为“transient”瞬态;选择realizable k-ε模型,选择材料为“air”空气,将入口“inlet”和“outlet”出口分别设置成压力入口和压力出口,表压强均为0Pa;设置动网格“Dynamicmesh”参数,Methods中改为“coupled”耦合求解,调库朗数为100;设置瞬态求解时间,初始化后退出;
步骤3.5 固体域求解设置;双击transient structure的Model,点击“suppress”抑制已生成的流体域,并赋予零部件相应的材料属性;设置重力、流固耦合面、各零部件之间的相对运动关系以及扑翼机扑动的运动参数;设置求解时间和子步数,划分网格;
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20190521 |