基于ANSYS-Workbench的飞机副翼转动流固耦合分析

邱福生，赵海洋，任延岫

(沈阳航空航天大学 航空航天工程学部(院)，沈阳 110136)



基于ANSYS-Workbench的飞机副翼转动流固耦合分析

邱福生，赵海洋，任延岫

(沈阳航空航天大学 航空航天工程学部(院)，沈阳 110136)

副翼是飞机机翼的重要组成部分，其周围气体流动对飞机翻转起着重要作用。对多场求解器MFS和MFX数据的交换方式进行了研究和对比分析，并介绍了实现流固耦合分析的多种方式。采用有限元软件ANSYS-Workbench 的双向流固耦合分析系统对飞机副翼转动过程中的气体流动进行分析。通过分析得到了不同时刻下副翼转动气动特性，有效避免副翼反效和提高副翼效率，为提高飞机的操纵性能提供依据。

ANSYS；副翼转动；流固耦合；数据交换方式

流固耦合在各个领域都有十分重要的应用。由于耦合分析领域较广，分析起来较困难，所以前人很少做耦合分析。但随着对计算精度要求的不断提高，各类计算软件的发展，尤其是ANSYS的发展，使得耦合分析变得简单。

自1981年 Zienkiewicz教授在英国召开了第一届和第二届有关耦合分析问题的学术会议以来，这类问题得到了一定的重视，尤其近几年有了飞跃式的发展。2001年Zhang[1]在解决屈曲和大变化流场的问题中应用了ALE方法；次年 Hubener[2]对二维膜结构进行了耦合模拟；2003年GLUCK[3-4]将轻型结构数值分析方法成功应用于膜性结构和柔壳结构的振动响应问题中；Stein[5]为解决复杂几何及大位移问题提出SEMMT方法；2004年Paulo[6]用有限元程序对大桥跨中断面进行了流固耦合模拟，得到了较好的结果；2005年Teixeira[7]提出有限元分区算法并解决了非刚性板壳结构问题。国内对流固耦合的认识和研究稍晚一些，但是效果显著。2004年郭术义、陈举华对流固耦合的国内外发展给予综述性介绍[8]；同年徐敏针对流固耦合交界面数据传递问题提出改进的CTV方法[9]；2006年黄旌、高涛利用APDL编程简化复杂结构建模问题[10];2008年马鹏、丰家辉等人通过 ANSYS 分析得到了风机叶片的升阻比和变形情况[11]；尹文明、任勇生利用 ANSYS 解决机翼复合材料的模态问题[12]；2009年刘志远、郑源等利用CFX计算了风轮的单向结构耦合问题，并对每个过程进行了介绍[13]。

随着ANSYS-Workbench的诞生，使得耦合分析变得简单，多场分析成为可能，也使各个软件之间实现了无缝接口。但是介绍如何利用Workbench进行流固耦合分析的文章还不够系统。因此本文利用ANSYS-Workbench对飞机副翼转动进行流固耦合分析，对机翼的结构和气动的设计具有实际应用的意义。

1 ANSYS流固耦合面的数据传递

ANSYS提供了两个多场求解器，分别是MFS和MFX。这两种多场求解器还各带有两种插值方法，所以无论是结构网格还是非结构网格，ANSYS的多场求解器都能很好地完成数据交换。一般情况下，一次完整的数据传递需要进行两次映射操作，即传递位移变量和传递应力变量，如图1所示。

ANSYS多场求解器MFS提供Profile Preserving插值方法和Globally Conservative插值方法。Profile Preserving插值法是主动式传递方式，即数据接收端向数据发射端发出信号来获取数据，数据是在发射端进行处理完成插值。Globally Conservative插值法是被动式传递方式，即数据发射端主动向数据接收端传递数据，数据是在接收端进行处理完成插值的。

图1 流固耦合的网格映射关系图

多场求解器MFS所提供的两种插值方法的出发点和原理大不相同，所以结果也有很大差别。Profile Preserving插值法如图2(a)所示，不适合应用在传递力、热通量等这样的数据，在传递这些数据时两端可能不守恒；Globally Conservative插值法如图2(b)所示，能保证总体守恒但是在局部也有类似的缺陷。在通常情况下，对于力、热通量这样的数据，根据实际情况和具体要求进行选择，但是对于在整体上守恒不是很有意义的量如位移、温度通常采用Profile Preserving插值法。

图2 求解器MFS数据传递示意图

同样ANSYS多场求解器MFX提供Profile Preserving插值方法和Conservative插值方法。多场求解器MFX和MFS中的Profile Preserving插值方法是相同的。Conservative插值方法是相对比较高级的方法也是比较常用的方法，里面用到很多算法像单元分割、桶算法等进行数据传递。无论耦合交界面能否完全重合对应都能很好地进行数据传递，并且保证严格的能量守恒。

2 ANSYS流固耦合的实现方法

ANSYS-Workbench的诞生使得多场分析变得简单，随着CFX和FLUENT被整合到ANSYS-Workbench以来，流固耦合的分析方式也变得多种多样，具体分析模块及配置环境如表1所示。但是ANSYS不支持MechanicalAPDL和FLUENT的双项流固耦合，不过可以通过第三方软件MPCCI实现。

表1 ANSYS流固耦合分析模块及配置环境

3 应用

众所周知，舵面操纵效率和操纵反效是影响飞机的操纵性能的主要因素[14]，而且操纵反效可能导致严重的飞行事故。因此，有必要对副翼旋转进行相关的静气动弹性分析[15]。为提高飞机操纵效率以及解决副翼反效带来的危害，对飞机副翼转动采取流固耦合分析至关重要。

本文算例模型是由NACA0012修改而得，模型主要由两部分组成,分别是外流场模型和带副翼的机翼模型，空气的来流方向为机翼的正前方，后端为出口。其用于结构分析的副翼网格如图3所示，用于流体分析的副翼网格如图4所示。对副翼转轴进行旋转设置，以获得副翼在不同时刻的周围气流的流速。

对副翼转动采用Transient Structural(ANSYS)+Fluid Flow(CFX)的双向流固耦合分析，得到副翼周围空气的流动特性，其不同时刻周围空气流速如图5所示。

通过图6可以看出，在0.3 s和0.8 s时副翼上下表面压力均值几乎一样，副翼效率在降低即将发生副翼反效现象。副翼效率降低的主要原因是副翼的摆动角度过大，根据分析得知此翼型的副翼摆动角度不宜超过±7.2°。

图3 结构分析网格

4 结论

副翼作为飞机机翼的主要组成部分，起着使飞机滚转的作用。因此副翼周围的气体流动就显得格外重要。本文利用ANSYS-Workbench对飞机副翼转动采用Transient Structural(ANSYS)+Fluid Flow(CFX)的双向流固耦合的分析，分析不同时刻飞机副翼转动的气动特性有效避免副翼反效，为提高飞机的操纵性能提供依据。

图5 不同时刻副翼周围速度分布图

图6 不同时刻副翼上下表面压力分布

[1]ZHANG Q,HISADA T.Analysis of fluid-structure interaction problems with structural and large domain changes by ALE finite element method[J].Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering,2001,190(48)：6341-6357.

[2]HUBNER B,WALBORN E,DINKLER D.Simultaneous solution to the interaction of wind flow and light-weight membrane structures[A].Proceedings of International Conference on Lightweight Structures in Civil Engineering[C],2002:519-523.

[3]GLUCK M,BREUER M,DURST F,et al.Computation of fluid-structure interaction on lightweight structures[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2001,89(14-15):1351-1368.

[4]GLUCK M,BREUER M,DURST F,et al.Computation of wind-induced vibrations of flexible shells and membranous structures[J].Journal of Fluids and Structures,2003,17(5):739-765.

[5]STEIN K.Automatic mesh updates with the solid extension mesh moving technique[J].Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering,2004,193(21-22):1019-2032.

[6]DE SAMPAIO P A B,HALLAK P H,ALVARO L G,et al.A stabilized finite element procedure for turbulent fluid-structure interaction using adaptive time-space refinement[J].International Journal for Numerical Methods in Fluids,2004,44(6):673-693.

[7]TEIXEIRA P R F,AWRUCH A M.Numerical simulation of fluid-structure interaction using the finite element method[J].Computers and Fluid,2005,34(2):249-273.

[8]郭术义,陈举华.流固耦合应用研究进展[J].济南大学学报(自然科学版),2004,18(2):123-125.

[9]徐敏，陈士橹.CFD/CSD耦合计算研究[J].应用力学学报,2004,21(2):33-36.

[10]黄旌,高涛.ANSYS 用于机翼有限元分析的建模研究[J].红河学院学报,2006,4(2):8-11.

[11]马鹏,丰家辉,胡昌洋.风力发电机翼型升阻比的计算[J].玻璃钢/复合材料增刊,2008,30(7):75-79.

[12]尹文明,任勇生.基于ANSYS的复合材料机翼的模态分析[A].中国硅酸盐学会玻璃钢分会.第十七届玻璃钢/复合材料学术年会论文集[C].中国硅酸盐学会玻璃钢分会,2008:3.

[13]刘志远,郑源,张文佳,等.ANSYS-CFX单向流固耦合分析的方法[J].水利水电工程设计,2009,28(2):29-31.

[14]陈桂彬,邹丛青,杨超.气动弹性设计基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004:64-74.

[15]万志强,唐长红,邹丛青.柔性复合材料前掠翼飞机静气动弹性分析[J].复合材料学报,2002,19(5):118-124.

(责任编辑：吴萍 英文审校：林嘉)

Ailerons rotating fluid-structure coupling analysis based on ANSYS-Workbench

QIU Fu-sheng，ZHAO Hai-yang，REN Yan-xiu

(Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

The aileron is an important part of the airplane wings,whose surrounding airflow plays an important role inturning-over of the airplane.In this paper,the data exchange ways of Multi-field solver MFS and MFX are studied and comparatively analyzed,and various ways of implementing fluid-solid coupling analysis are introduced.Meanwhile,by using two-way fluid-structure interaction analysis system in the software of ANSYS-Workbench,the airflow caused by aileron rotation is analyzed,and the aileron rotating aerodynamic characteristics at different times are acquired.As a result,aileron reversal is effectively avoided and aileron efficiency is improved,which lay a foundation for enhancing maneuver performance.

ANSYS;aileron rotation;fluid-structure interaction;data exchange ways

2015-03-31

航空科学基金(项目编号：2013ZA54003);辽宁省教育厅一般项目(项目编号：L2013079)

邱福生(1977-)，男，江西于都人，副教授，主要研究方向：飞行器设计与制造一体化，CAD/CAPP/CAE/CAM、生产技术准备、产品开发过程建模等，E-mail：qfs77815@163.com。

2095-1248(2015)05-0032-05

V211.41

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.05.003