大展弦比大挠性机翼流固耦合数值分析研究

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随着材料、能源、控制等技术的发展,高空长航时无人机技术受到越来越多国家的重视。该类型无人机一个突出的特点就是具有轻质的大展弦比机翼结构,其刚度远远小于传统飞行器。因而,此类飞行器在受到气动力的作用下,结构将会出现大的变形,这种变形呈现出强的几何非线性特性;结构大变形的同时,气动力分布与刚性机翼相比也有很大不同。对于这一问题的分析,需要联合结构与气动进行耦合求解,也就是飞行器的流固耦合分析问题。本文采用流体和固体弱耦合的分析方法,完成了大展弦比大挠性机翼结构的动、静态分析。这种方法是将结构和流体独立建模计算,再通过交界面的数据传递来完成耦合。因此,该方法的关键在于结构和流场的精确求解以及耦合过程的实现。本文以大展弦比大挠性机翼为研究对象,以流固弱耦合方式为主线,开展了以下几个方面的研究:(1)对大展弦比大挠性飞行器做了调研,分析研究了此类飞行器的特点,并总结了求解流固耦合问题数值方法的发展及研究现状。(2)分别从结构非线性与低雷诺数定常/非定常气动力出发,采用理论分析与数值模拟相结合的方式对结构非线性和低雷诺数气动力进行了研究。(3)分析研究了流体与结构弱耦合计算的关键技术与难点。特别是方程耦合的方法、不匹配网格之间数据插值方式、适应于大变形的动网格技术,以及计算的分布与并行技术等。(4)最后,本文采用弱耦合的方式对大展弦比大挠性机翼结构进行计算分析。首先对算例进行分析计算,并与文献对比,验证了耦合方法的可行性与有效性。然后分别采用单向耦合和双向耦合的方法,对大展弦比大挠度机翼流固耦合问题进行了静态和动态分析。
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