[發明專利]一種基于復合材料結構的流固耦合數值預測方法

有效

• 申請號: 201711051997.3
• 申請日: 2017-10-30
• 公開（公告）號: CN107895069B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 吳欽;張漢哲;陳倩;黃彪;王國玉
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/28;G06F30/17;G06F113/08
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 毛燕

1.一種基于復合材料結構的流固耦合數值預測方法，其特征在于：具體步驟如下：

步驟一：復合材料水翼結構模型建立及網格劃分；

利用三維建模軟件建立復合材料水翼的中面、上端面和下端面；將中面導入ANSYSWorkbench平臺里的ACP模塊中，實現中面網格劃分；通過設置鋪層材料和鋪層方式，并導入上端面和下端面來約束結構的外形，最終實現用于有限元結構求解計算的復合材料水翼結構模型建立及網格劃分；

步驟二：復合材料水翼結構邊界條件設定；

在有限元結構求解器中，將步驟一所得的復合材料水翼結構模型的尾部設定為固定端，其他表面則設置為流固耦合交界面，以便與計算流動動力學求解器進行力和位移數據的傳遞；

步驟三：三維流域建立；

對于給定的復合材料水翼結構，沿復合材料水翼弦長方向，靠近流場入口一端為水翼前緣，靠近流場出口一端為水翼尾緣，水翼尾緣的下游區域為水翼尾跡區域；復合材料水翼尾部固定，尖端自由，尾部到尖端的直線距離稱為展長；復合材料水翼中心線為各截面弦線中點的連線；三維流域為將復合材料水翼包圍起來的長方體區域；復合材料水翼尾部與長方體后端在同一個面內；

步驟四：三維流域網格劃分；

對步驟三建立的三維流域進行網格劃分，對靠近復合材料水翼的流域網格進行加密，以便捕捉流動細節；

步驟五：建立計算流體力學模型；

計算流體力學模型包括流場控制方程和結構場控制方程；

流場控制方程包括質量方程(1)和動量方程(2)：

式中，表示函數對相應的變量求偏導數，ρ為流體的密度，t為時間，u_i、u_j代表流體的速度分量，x_i、x_j代表流體的位置分量，p為流場入口處壓強，μ_l和μ_t分別為流體的層流和紊流粘性系數；

結構場控制方程為：

其中，[M_s]，[C_s]，[K_s]分別為水翼結構的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣，{X}、分別為水翼結構的位移、速度和加速度，F_CFD為通過使用計算流體動力學求解器計算出來的非線性粘性流體表面力；

步驟六：進行初始定常流場數值計算；

在計算流體動力學求解器中，給定三維流域入口處流體來流速度、三維流域出口平均靜壓、復合材料水翼表面和三維流域邊界均為無滑移壁面和光滑壁面邊界條件；同時，利用計算流體動力學求解器進行定常流場數值計算，得到三維流域的數值結果；

步驟七：獲得復合材料水翼結構與流場結構的動態變化過程；

以步驟六所得到三維流域的數值結果作為初始條件進行瞬態非定常流固耦合數值計算；具體步驟為：

步驟7.1，對質量方程和動量方程進行離散求解，計算出步驟二中的流固耦合交界面上的流場作用力；

步驟7.2，將步驟7.1得到的流場作用力作為流固耦合交界面上的載荷，傳遞到步驟二所述的有限元結構求解器中對結構場控制方程進行離散求解，計算復合材料水翼的結構變形，得到新的流固耦合交界面位置；

步驟7.3，根據步驟7.2得到的新的流固耦合交界面位置，基于計算流體動力學求解器，對步驟四得到的三維流域網格進行更新；

步驟7.4，重復步驟7.1至步驟7.3，直至達到預定求解時間或者數值結果收斂，得到水翼結構與流場結構的動態變化過程。

2.如權利要求1所述的一種基于復合材料結構的流固耦合數值預測方法，其特征在于：對所述步驟七的計算結果進行后處理，獲得流場結構與水翼變形隨時間的動態變化過程；所述后處理方法為：提取流場區域內的流動參數，其中速度分布通過矢量圖表示，壓力分布通過等值線圖或云圖表示；通過提取結構場區域各位置處的位移和速度，反映復合材料的變形特性。

3.如權利要求1所述的一種基于復合材料結構的流固耦合數值預測方法，其特征在于：步驟一所述復合材料水翼為梯形水翼。