[发明专利]一种柔性蒙皮机翼低雷诺数流固耦合分析方法

权利要求书

1.一种柔性蒙皮机翼低雷诺数流固耦合分析方法，其特征在于：按照流体计算-固体计算-流体计算-固体计算-……的方式循环参与分析，完成迭代分析；

所述流体计算具体步骤为：

1)结构化网格生成

建立机翼参数化模型，记录并存储划分网格边界、设置边线对应、调整节点分布、生成结构化网格的过程；在整个柔性蒙皮机翼流固耦合分析过程中，不断将参数变更后的机翼参数化模型输入到结构化网格生成模块中，通过读取存储的文件，自动生成结构化网格；

2)数值仿真

201、流场构建

记录并存储流场关键参数，在记录过程中进行流场关键参数设置；每次进行流体力学计算时，自动读取存储文件并进行流畅关键参数设置，从而完成流场构建；

202、初始压力分布

首次进行流体力学计算时，自动将流场的初始压力加载到结构化网格节点上，从而完成初始压力分布，完成本轮流体力学计算后，将收敛得到的压力分布结果保存；后续每次启动流体力学模块，完成流场构建后，读取上一轮流体力学计算模块输出的压力分布结果，将其中记录的压力分布作为本轮计算的初始压力分布；

203、γ-Re_θ模型计算

采用求解N-S方程的方法开展机翼数值计算，湍流模型为γ-Re_θ转捩模型，每一轮流体力学计算过程中，每次求解都会使机翼表面所有网格的压力值发生一次改变，将机翼上、下表面所有网格的压力分别求和，得到ΣP_up和ΣP_down，两者相减得到机翼上下表面压力差ΣP＝ΣP_down－ΣP_up；当ΣP不再发生长周期变化，而仅存在短周期震荡时，则认为满足收敛条件，本轮流体力学计算结束；当结构化网格节点的压力差不满足收敛判据时，认为压力分布仍存在长周期变化，则继续采用上述方程进行迭代计算，直至满足收敛判据为止；

3)载荷提取

保留流体计算后500步迭代对应的压力分布结果，将其中的压力分布提取后进行时均化处理；随后将时均化后的压力分布转化为固体计算模块能够识别的分布式载荷，并存储备用；

所述固体计算由固体力学计算模块完成，具体步骤如下：

1)有限元网格生成

利用标准化的机翼模型，记录并存储节点数量设置、网格类型选择、有限元网格生成的过程，其中有限元网格类型为M3D3三角形膜单元；

2)有限元仿真

201、参数设置

记录并存储有限元关键参数，在记录过程中进行有限元关键参数设置；每次进行固体力学计算时，自动读取存储的文件并完成有限元关键参数设置；

202、网格与载荷提取

读取生成的有限元网格，以及流体计算时生成的分布式载荷，提取网格与载荷信息，用于后续迭代计算；

203、N-R迭代法计算

采用N-R迭代法进行有限元计算，将机翼蒙皮离散为个体单元，建立力与位移的关系，再将单元封装为正体，求解整体变形；每一轮固体力学计算过程中，都会采用上述方程进行数十步迭代计算，每次计算都会使有限元网格节点坐标值发生一次改变，当相邻两次迭代计算得到的各节点坐标值相差很小时，认为满足收敛条件，本轮固体力学计算结束；当节点坐标值不满足收敛判据时，认为迭代计算还未收敛，继续采用上述方程进行迭代计算，直至满足收敛判据为止；若计算发散，则系统报错，由人工介入进行程序调整；

3)坐标值提取

提取迭代收敛后网格节点坐标值与上一轮固体力学计算得到的网格节点坐标相减得到差值；同时将收敛后的网格节点坐标值保存备用；

所述流固耦合分析具体步骤为：

将机翼初始几何外形输入流体力学计算模块，然后将流体计算模块输出的压力分布输入固体力学计算模块，然后提取本轮固体力学计算模块输出的网格节点坐标值，并与上一轮固体力学计算得到的节点坐标值对比，当两者差别足够小时，认为迭代收敛，本轮流固耦合分析结束，输出流固耦合分析结果，包括网格压力分布与网格节点坐标；当不满足收敛判据时，构建截面线族和引导线族，进而进行几何重构，开启下一轮流体力学计算；

所述构建截面线族和引导线族，进而进行几何重构，开启下一轮流体力学计算的具体方式为：

a、构建截面线族和引导线族

将前后两轮固体力学计算得到的节点坐标位移量Δa_ij输入到Catia软件，构建截面线族和引导线族：在蒙皮曲面Γ上选择上一轮固体力学计算模块中的有限元网格节点作为构造点，坐标为a_ij，构造点坐标与节点坐标位移量相加，得到新构造点；随后将这些构造点连接，形成变形后蒙皮曲面Γ’的截面线族f(a)和引导线族g(a)；截面线族f(a)和引导线族g(a)分别表述为：

式中，下标i,j分别为展向、弦向网格节点的序号；

b、外形重构法

利用Catia软件以截面线族f(a)和引导线族g(a)为构造线，生成本轮流固耦合分析得到的变形后的机翼几何外形，并将其输入给流体力学计算模块，开展下一轮的流固耦合分析。