平流層飛艇繞流場(chǎng)與膜結(jié)構(gòu)大變形的耦合計(jì)算.pdf

1、平流層飛艇(平臺(tái))是一種典型的臨近空間飛行器，在民用與國(guó)防中都有著廣泛的應(yīng)用前景，為當(dāng)前世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)。平流層飛艇外部蒙皮采用膜結(jié)構(gòu)，膜結(jié)構(gòu)整體剛度較小，為柔性結(jié)構(gòu)，其非線性大變形與周圍流場(chǎng)的相互作用是一個(gè)復(fù)雜的流固耦合問(wèn)題。要更準(zhǔn)確地把握這類問(wèn)題的力學(xué)性能，并使膜結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中得到進(jìn)一步優(yōu)化，了解結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)之間的相互影響是關(guān)鍵。本文通過(guò)理論分析，建立了三維流場(chǎng)與薄膜結(jié)構(gòu)大變形耦合作用的數(shù)學(xué)模型，自主開(kāi)發(fā)了模擬流固耦合的計(jì)算軟件，

2、用以分析薄膜與流場(chǎng)相互影響下飛艇的氣動(dòng)特性及其變化，研究了平流層飛艇定點(diǎn)平飛狀態(tài)下的氣彈性特性。 本文主要工作如下： 1.建立了三維流場(chǎng)和膜結(jié)構(gòu)大變形耦合求解的數(shù)學(xué)模型與計(jì)算方法。對(duì)于三維流場(chǎng)的求解，其控制方程建立在連續(xù)性方程和雷諾平均Navier-Stokes方程的基礎(chǔ)上，湍流模式采用了標(biāo)準(zhǔn)的k-ε兩方程模型及低雷諾數(shù)修正模型。流場(chǎng)數(shù)值模擬采用基于有限體積法的壓力修正SIMPLE算法，采用SIP法迭代求解方程組。對(duì)

3、于膜結(jié)構(gòu)大撓度柔性變形分析，其數(shù)學(xué)模型建立在膜結(jié)構(gòu)的非線性幾何關(guān)系、本構(gòu)關(guān)系及結(jié)構(gòu)平衡方程的基礎(chǔ)上。結(jié)構(gòu)變形的數(shù)值模擬采用了非線性有限元分析方法，利用更新的Lagrange格式增量方法來(lái)保證大變形計(jì)算的求解精度，并通過(guò)Newton-Raphson迭代法求解所得的非線性方程。 2.建立了適用于三維流場(chǎng)中膜結(jié)構(gòu)分析的緊耦合計(jì)算方案，解決了流固耦合計(jì)算中網(wǎng)格變形和界面信息交換問(wèn)題。應(yīng)用網(wǎng)格分塊方法以實(shí)現(xiàn)在較復(fù)雜的形體中建立結(jié)構(gòu)化流場(chǎng)

4、網(wǎng)格，采用無(wú)限插值方法實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)網(wǎng)格的自動(dòng)生成，以此解決了耦合迭代計(jì)算中流場(chǎng)邊界網(wǎng)格變形的問(wèn)題。通過(guò)薄片樣條法插值來(lái)實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)之間的信息交換。 3.自主開(kāi)發(fā)了流固耦合計(jì)算程序，并整合了流場(chǎng)分析、結(jié)構(gòu)分析、網(wǎng)格生成及界面交換技術(shù)等程序模塊。通過(guò)現(xiàn)有的理論和實(shí)驗(yàn)實(shí)例來(lái)驗(yàn)證程序的正確可靠，為工程設(shè)計(jì)和分析提供了有用的數(shù)值計(jì)算工具。 4.研究了平流層定點(diǎn)靜飛狀態(tài)下的飛艇氣彈性特性。通過(guò)建立不同的計(jì)算模型和流動(dòng)條件，分別討論