基于径向基函数的网格变形及非线性气动弹性时域仿真研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJuI．252013V01．34No．71501．1511ISSN1000．6893CN11—1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．C13doi：10．7527／$1000—6893．2013．0122基于径向基函数的网格变形及非线性气动弹性时域仿真研究谢亮1，徐敏1’*，安效民1，蔡天星2，陈韦贤11．西北工业大学航天学院，陕西西安7100722．上海机电工程研究所，上海20

2、1109摘要：为开展非线性气动弹性研究，基于非线性结构有限元软件NASTRAN和自主研制的多块结构化计算流体力学(CFD)求解器，开发了一套基于计算流体力学／计算结构动力学(CFD／CSD)耦合求解方法的气动弹性时域仿真程序。该程序采用径向基函数(RBF)交换两套求解器之间的数据并进行网格变形。为提高RBF方法的效率，构造了基于多次插值的空间待插值点精简算法。在多次插值过程中，每次插值的对象为上次插值的误差，并同时限制插值区域，以此实现了空间待插值网格数的精简。数个网格变形的算例表明该方法可支持大变

3、形运动，并且具有较高的计算效率。采用此程序开展了AGARD445．6机翼颤振计算、大展弦比机翼的静气动弹性计算与切尖三角翼极限环振荡(LCO)现象的动气动弹性仿真，结果揭示了当机翼展弦比较大或者响应幅值较大时，结构非线性对于气动弹性有显著影响。关键词：径向基函数；网格变形；插值；非线性；气动弹性；大展弦比；三角翼；极限环振荡中图分类号：V215．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)07—1501—11近年来，基于计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，

4、CFD)／计算结构动力学(Corn—putationalStructuralDynamics，CSD)耦合的时域仿真成为气动弹性研究的主流手段，并正在逐步走向工程应用。在CFD／CSD研究的早期阶段，为简单起见，在CSD求解过程中普遍采用结构模态法[1‘2]。然而随着长航时无人机的发展，复合材料的大规模使用，飞行包线朝着极限的方向扩展，越来越需要在CFD／CSD耦合过程中考虑结构非线性的影响。安效民和徐敏[31曾经开展了结构几何大变形下的静力与动力分析。对于切尖三角翼的极限环(Limit—Cycle

5、—Oscillation，LCO)现象[4]，Attar和GordnierL51做过详细的研究，国内的崔鹏和韩景龙[6]也将CFD求解软件ANAL—YSIS和结构有限元软件NASTRAN耦合，仔细研究了切尖三角翼中的结构非线性现象。文献E7；和文献[83对于非线性气动弹性的若干问题给予了总结。在CFD／CSD耦合过程中，为了将气动网格上的压力插值到结构结点上，并将结构的变形反映到气动网格上，插值技术与动网格技术一直是CFD／CSD耦合中的研究热点。在过去，一般采用无限代数插值(LinearTrans

6、finiteInterpola—tion，TFI)[引、弹性体方法[10]、弹簧比拟法[1卜12]以及Delaunay图映射[13]方法等进行动态网格变形，采用无限平板样条(InfinitePlateSpline，IPS)、常体积转换(Constant—VolumeTetrahed—ron，CVT)等进行插值，这些算法都有其各自的收稿日期：2012—12—19；退修日期：2013—01-15；录用日期：2013-02-02；网络出版时间：2013-03-0514：09网络出版地址：WWW．cnki．

7、net／kcms／detail／11．1929．V．20130305．1409．004．htmI基金项目：国家自然科学基金(90816008，11202165)*通讯作者．Tel．：029—88494614E—marl：xumin@nwpuedu．cn引用榕武tXieL，XuM．AnXM．etal?Researchofmeshdeformingmethodbasedonradialbasisfunctionsandnonlinearaeroelasticsimula—t／on．ActaAeronau

8、ticaetAstronauticaSinica．2013．34(7)：{50I．15I{．谢亮，徐敏．安效民。等．基于径向基函数的两格变形及菲线牲气动弹性时域仿真研究．航空学摄．2813，34(7)：150{一151{?航空学报优缺点。近些年来，由于具备诸多优良的特性，基于径向基函数(RadialBasisFunctions，RBF)的网格变形技术得到了极大的发展[14州与广泛的应用[18_20j。其主要思想是利用已知的物面网格变形，构造一个径向基函数序列，再使用此