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发布日期:2021-05-11   浏览次数:

气弹仿真软件(HCFDLab)

气弹仿真软件HCFDLab是一款针对复杂构型气动-结构相互耦合作用的仿真软件。支持四面体、六面体等混合网格求解N-S方程和结构动力学方程,用于亚、跨、超音速条件下的复杂流场仿真。

 

  1  气弹仿真软件


一、功能特点

1. 理想气体不可压/可压缩N-S流体方程求解,可精确预测亚、跨、超音速范围内(0.01<Ma<5)的复杂流场(分离流、激波边界层干扰)特性;

2. 结构动力学方程耦合N-S流体方程求解,可精确预测气动弹性稳定性和响应问题。

3. 指定时间历程的结构模态扰动引起的非定常气动力仿真;

4. 在给定阵风载荷(包括来流方向和幅值突变)条件下,基于CFD方法进行时域阵风响应计算。

二、特色优势

1. 高保真度CFD/CSD时域推进耦合气动弹性精细化仿真,准确捕捉跨音速颤振“凹坑”等非线性特征;

2. 支持紧支径向基函数(RBF)和逆等参映射(IIM)两种高效数据插值方法;

3. 静气弹计算支持模态法和柔度法2种方法,高效计算舵效、气动载荷重新分布、静变形等问题;

4. 动气弹计算支持模态法和调用外部有限元软件NASTRAN联合仿真,准确计算颤振、抖振、嗡鸣问题;

5.  采用网格速度法实现多种阵风类型响应计算,包括cos、sin、gauss、1-cos以及各种类型的自由组合。

三、精度验证

         BSCW机翼跨音速激波边界层干扰气动计算

a. 计算模型

来流马赫数Ma=0.85

采用2阶Roe 迎风格式,湍流模型SA

 

2 BSCW几何与网格模型

b. 计算结果

 

 3 某剖面位置压力系数分布计算值与FLUENT对比 


 

4 某剖面位置压力系数云图和马赫数云图


 

5 不同时刻导弹质心与角速度计算结果与试验结果对比


四、典型案例

 跨音速颤振预测——跨音速颤振是飞行器气动弹性分析的难点,传统的势流线化方法不能准确预测飞行器高亚音速和跨音速的非定常气动力,主要是不能准确的预测激波的位置、范围,以及激波的位置和范围随结构变形而发生的变化。目前采用全阶非线性Euler方程或N-S方程与结构运动方程耦合来数值模拟跨音速颤振问题已经成为工程研究的趋势。

 

 6 AGARD机翼气动-结构耦合数据插值 


 


图 7 跨音速颤振“凹坑”计算


 跨音速单自由度舵面嗡鸣预测——在跨音速或低超音速飞行时,操纵面(副翼、方向舵、全动平尾)有时会发生绕铰链轴旋转的单自由度自激振动,强烈的嗡鸣可能导致结构的破坏,常常影响着新型号的研制进程。基于CFD的分析方法,可以准确预测激波位置和强度,从而为预测嗡鸣的发生。

 

 

8 单自由度舵面几何和网格


 

9 不同马赫数条件下,激波位置分布


 

  10 发生嗡鸣时,舵面等幅振荡广义位移时间历程曲线图与相平面图


 静气弹舵效分析——结构弹性变形对于现代高性能飞行器(如带有大展弦比升力面)的性能、静和动稳定性等飞行品质也有不可忽略的影响。静气弹变形对舵面操纵效率的影响是气弹分析的一个重要方向。

    

11 大展弦比机翼静变形和不同舵偏角下的力矩系数变化


 

  12 不同工况的下的流场分布


 结构模态扰动非定常气动力计算——采用结构模态扰动流场,观察气动力的变化,可以分析不同的模态形式对流场影响的强度。

 

  13  模态扰动计算模型和散点插值


 

  14 阶跃激励和谐波激励模态扰动后的广义位移曲线


五、行业客户

 航天:北京机电工程研究所、上海机电工程研究所

 航空:航空工业洪都650所


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