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流固单向耦合的能量法及机翼颤振预测

2022-02-04 来源:星星旅游
第51卷第1期 西 安 交 通 大 学 学 报 JOURNAL OF XI’AN JIAOTONG UNIVERSITY Vo1.51 NO.1 2017年1月 Jan.2017 DOI:10.7652/xjtuxb201701017 流固单向耦合的能量法及机翼颤振预测 仲继泽,徐自力 (西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室,710049,西安) 摘要:为准确预测机翼颤振边界,发展了一种基于流固单向耦合的能量方法。首先,为考虑机翼振 动对流场的影响,采用课题组所发展的快速动网格技术更新流场网格;然后,在更新后的网格上采 用SIMPLE算法求解基于任意欧拉拉格朗日格式的雷诺时均纳维斯托克斯方程,计算出流场压 力。通过机翼表面压力计算机翼的气动力,进而计算机翼的气动功,将气动阻尼等效为黏性阻尼, 通过等效黏性阻尼公式计算得到机翼振动的气动阻尼;最后,通过气动阻尼来判断机翼的颤振边 界。采用所提能量方法对wing 445.6的气动阻尼进行了分析,并计算了其无因次颤振流速,计算 得到的无因次颤振流速与实验值的相对偏差大约为l_5 。研究发现,在跨声速条件下wing 445.6的气动阻尼随着模态阶数的增加逐渐增加。通过分析机翼表面气动功的分布发现,在跨声 速流动中机翼附近流场的激波是产生正气动功的主要原因,也就是说机翼跨声速颤振主要是由激 波引起的。 关键词:机翼颤振;快速动网格技术;流固耦合;能量方法;气动阻尼 中图分类号:V215 文献标志码:A 文章编号:0253—987X(2O17)01—0109—06 Wing Flutter Prediction Using an Energy Method Based on One—Way Fluid Structure Coupling ZHONG Jize,XU Zili (State Key Laboratory f0r Strength and Vibration of Mechanical Structures,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China) Abstract:To predict the flutter boundary of airplane wings,an energy method based on one—way fluid structure coupling is proposed.To consider the effect of wing vibration,the flow mesh is updated using a fast dynamic mesh technology proposed by our research group.Then the pressure is computed by solving the Reynolds averaged Navier Stokes equations in the arbitrary Lagrangian Eulerian coordinates through the SIMPLE algorithm using the updated flow mesh.The aerodynamic force applied on the wing is calculated using the pressure on the wing surface and then the aerodynamic work is obtained.The aerodynamic damping is assumed to be equivalent viscous damping.Thus the aerodynamic damping can be computed using the calculation formula of equivalent viscous damping,and the flutter boundary is predicted using the aerodynamic damping.The aerodynamic damping of the wing 445.6 is computed and the dimensionless flutter velocity of the wing 445.6 can be predicted using the proposed energy method.The relative deviation between the dimensionless flutter velocity and the experimental data is about 1.5%.It is found that the aerodynamic damping increases with the order of mode in transonic flows.The distribution of the aerodynamic work on the wing surface shows that the positive aerodynamic 收稿日期:2016—04—13。 作者简介:仲继泽(1988一),男,博士生;徐自力(通信作者),男,教授。 学基金资助项目(51275385);国家“973计划”资助项目(2011CB706505)。 网络出版时间:2016—10—20 基金项目:国家自然科 网络出版地址:http:∥WWW.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20161020.1044.010.html 西安交通大学学报 第51卷 work is mainly caused by the shock wave in the transonic flows.Thus it can be concluded that the transonic flutter of the wing 445.6 is mainly induced by the shock wave. Keywords:wing flutter;fast dynamic mesh technology;fluid structure interaction;energy method;aerodynamic damping 机翼颤振是航空工程领域中的一个重要技术问 采用能量法对wing 445.6各阶主振动下的气动阻 尼进行了分析,发现第1阶模态气动阻尼最小,导致 wing 445.6更容易发生第1阶模态的颤振。 题,容易诱发机翼损坏。2010年,美国洛克希德马 丁公司的验证机在飞行实验中,机翼因发生颤振而 折断口],准确预测机翼的颤振边界是飞行器研发工 作中的重要一环。 在传统的P—k方法r 中,分别采用偶极子格网 法和谐波梯度方法预测机翼亚声速及超声速颤振, 1快速动网格技术 机翼固有振动的有限元控制方程为 M X +KwX 0 (1) 取得了比较理想的效果。现代的运输机及军用高性 能战斗机一般都是跨声速飞行[3 以提高飞行效率。 当流动从亚声速进入跨声速时,机翼颤振临界流速 会降低,而在进入超声速后颤振临界流速又会升 高[4 ],这就是机翼颤振的跨声速“凹坑”效应[6]。对 现代运输机及军用高性能战斗机飞行安全威胁最大 的是机翼跨声速颤振问题[7]。为预测跨声速颤振, 式中:M 为机翼的质量矩阵;K 为机翼的刚度矩 阵;x 为机翼的位移向量。 机翼网格节点可分为流固耦合面和非流固耦合 面节点,据此可将机翼的固有振动控制方程写成分 块矩阵的形式,即 [ lL ]儿 一l[l  ] .J l+[I。L  l 儿x]l [ l ]一 .Jl 一。—n (2) 传统的p-k方法通常采用经验公式计算机翼的跨声 速气动力,并根据缩比模型的风洞实验数据对气动 式中:x 一 为机翼流固耦合面节点位移;x…一 为机 力进行修正。然而,风洞实验的设计、实施及实验数 据分析,通常需要1年时间_8],在设计过程中采用实 验的方法预测机翼颤振边界则会拖慢研发进度,研 究人员在航空领域引入了基于CFD/CSD的流固耦 合方法以预测机翼的颤振边界。Liu采用全隐式迭 代的方法对wing 445.6的跨声速颤振边界进行了 翼非流固耦合面节点位移。 采用有限元位移插值算法_1。]对机翼流固耦合 面节点位移x 一 进行插值可得流场网格流固耦合 面节点的位移 Xf_f—N —f (3) 流固耦合计算L9 ;Chen发展了一种强耦合算法口。。, 并采用该算法对wing 445.6跨声速颤振进行了分 析,计算结果与实验值吻合。采用流固耦合方法进 行颤振分析时,首先需要计算出一系列流速条件下 式中:Ⅳ为插值系数矩阵。 将流场网格空间区域视为弹性体[1 ,虚拟弹性 体随机翼振动发生变形,采用有限元方法可得虚拟 弹性体变形的静力平衡方程。在已知流场网格流固 耦合面节点位移xH的条件下,可通过求解该静力 平衡方程得到流场网格非流固耦合面节点位移 的机翼气动弹性响应,然后再根据响应的衰减和发 散情况来判定机翼是否达到颤振临界状态,每一时 间步均需要对流场和机翼振动进行多次迭代计算, 因此流固耦合方法计算量大,很难在工程颤振分析 中得到应用口 。 L磷 磷 竺 儿x]一0 -J f- f(4) 用X 一f代替xH后得 能量法是一种传统的颤振分析方法,假定结构 以固有频率和振型振动[1 ,能量法计算时不需在结 构振动和气动力之间进行迭代,因此具有计算效率 高的优点。本文将流固耦合方法与传统能量法相结 合,提出了一种基于流固单向耦合的能量方法。考 虑机翼振动对流场的影响,采用本课题组所发展的 [L 瓢芝  N K} -J Lx f 力平衡方程叠加得到,即 M ] 一 ] ㈤ 机翼与虚拟弹性体作为一个整体的固有振动方 程可通过机翼固有振动方程和虚拟弹性体变形的静 快速动网格技术更新流场网格,采用CFD方法计算 机翼的气动力,进而计算机翼各阶模态的气动阻尼。 1l M  oJ l J I I 一 I+ http ff WWW. dxb.cn http t f{zkxb.xjtu.edu.cn 第1期 仲继泽,等:流固单向耦合的能量法及机翼颤振预测 l蚤  I+KN} N K}。 lI  ILx卜— f l一 (0㈤6) +舢考一0 (7) 压力等变量。 在机翼表面,在流场网格节点M处,如图1所 卅 . 示,机翼受到的流体作用力为 FM一∑ P A 一1 J (14) 式中:d 为单元面J的节点数;m为节点M附近流 场网格单元面的个数;P,为流场网格单元面 的表 面压力;A 为流场网格单元面 的面积;,l 为流场 网格单元面 的单位法向量。 机 流场网 图1 wing 445.6表面网格 用 表示机翼表面所有流场网格节点处流体 一rrf_ 作用力的总向量,FM是向量F 中的一个元素,两者 之间的关系为 一{..・,确,…} (15) 2基于流固单向耦合的能量方法 计算出机翼 后,计算机翼第i阶模态气动力 『0] Q 一 lL .l 0 J (16) 气动力对机翼做正功时,流场对机翼产生负阻尼作 Wd ̄+f (F 一Fv)・,tds===0(11) 用;气动力对机翼做负功时,流场对机翼产生阻尼作 用。将机翼的气动阻尼化为等效黏性阻尼c ,即 r IDll ] J;ca* 一一 Q d 一 。 (17) l(J0E“ +pu) J 『-0f] c Af。∞ 2 COS (∞ t)dt一7cc Af ∞f J 机翼以第i阶模态振动时,流场对机翼产生的等效 黏性阻尼为 r Q d8 (18) 03i c 一— 儿 1 f >O表示流场对机翼有阻尼作用,机翼不会发生颤 振;c <O表示流场对机翼有负阻尼作用,机翼发生 颤振 a一0表示机翼处于颤振临界。 3 Wing 445.6颤振流速计算 在本文能量算法中,计算机翼气动阻尼时只考 虑了单个模态,算法主要用于预测单一模态振动占 优的机翼颤振问题。Wing 445.6前4阶模态的固 http:∥www.jdxb.cn 西安交通大学学报 第5l卷 有频率分别为9.60、38.10、50.70、和98.50 Hz, wing 445.6颤振主要为第1阶模态的振动。 AGARD Wing 445.6是由美国国家航天局兰 利研究中心(NASA)设计的颤振实验模型l_1 ,是目 V一 一一m (20) ’ D 前国际上用于机翼颤振预测算法验证的标准算例, 采用该算例来验证本文所提出的能量方法。 AGARD Wing 445.6采用NACA 65A004对称翼 型,展长0.762 m,根弦长0.558 7 m,1/4弦线后掠 角为45。,展弦比为1.65,根梢比为0.66,几何尺寸 如图2所示。该机翼为木质材料,其展向弹性模量 为3.15 GPa,展向垂直方向弹性模量为0.416 2 GPa,剪切模量为0.439 2 GPa,泊松比为0.31,密 度为393.5 kg/m 。 式中: 为来流流速;b为翼根半弦长; 为机翼l 阶扭转振动角频率; 为质量比; 为机翼质量;J0为 空气密度;71为参考体积。 当马赫数为0.96、流速为0.307 6时,对机翼进 行稳态流场分析,得到翼尖截面处马赫数的分布情 况,如图5所示。由图5可知,马赫数的等值线关于 机翼弦向对称,机翼前缘形成驻点,机翼尾缘产生尾 迹,在距离翼尖前缘约2/5弦长处出现激波。 1 1 O OJ l I O O O O 0 O 0 0 们 "L一 : !! 一 图2 wing 445.6几何尺寸 =2∞ " ∞ 图5 Ma=0.96时翼尖截面稳态流场马赫数等值线图 让机翼以第1阶模态振动,振动频率为9.6 机翼网格如图3所示,共有8节点六面体单元 5 974个,节点7 500个;机翼流场网格如图4所示, Hz,振动时最大位移幅值为翼尖弦长的1 ,当流场 马赫数为0.96、流速为0.307 6时,设置时间步长为 5×10 s。为了加快流固耦合计算的收敛速度,本 文将稳态流场的计算结果作为耦合计算中瞬态流场 的初值。在每一时间步更新流场网格,采用CFD方 法进行瞬态流场分析,得到翼尖截面处流场马赫数 的分布情况,结果如图6所示。与稳态流场的马赫 数分布相比,在机翼振动影响下流场马赫数等值线 关于机翼弦向对称的现象已不存在。 图3 wing 445.6网格 图4 wing 445.6流场网格 图6 Ma一0.96时翼尖截面瞬态流场马赫数等值线图 当机翼攻角为正时,机翼下侧流场流速低于机 共有8节点六面体单元563 472个,节点588 080 个。在机翼颤振分析中,通常采用无量纲流速… 表 征机翼颤振的临界流速,定义为 翼上侧流场流速,而机翼上表面的流体压力低于机 翼下表面的流体压力,结果如图7所示。根据机翼 表面压力可计算出机翼以第1阶模态振动时的气动 http://WWW.jdxb.cn http:∥zkxb.xjtu.edu.cn 第1期 仲继泽,等:流固单向耦合的能量法及机翼颤振预测 力 ,进而采用式(16)计算机翼的无量纲模态气动 力Q ,模态气动力随时间变化的曲线如图8所示, 采用式(18)可计算出流场对机翼振动产生的无量纲 气动阻尼c 。 做的功表示为 r WM—I FMdXM J (21) 叮帅cM~八W~ 叫:=八  二=J-二J州=二=-二I =● = 一 1一 誊 ,,,, 式中:xM为节点M的位移。 通过计算机翼表面所有流场网格节点处的气动 功可给出机翼表面的气动功分布,当机翼在流场马 赫数为0.96、流速为0.307 6的跨声速流场中以第 1阶模态振动时,气动功在机翼表面的分布情况如 图10所示。由图10可知,气动力对机翼做正功多 于负功,使得机翼的总的气动功为正。由此可见,跨 相对弦长 声速流场中的激波是机翼第1阶模态气动阻尼为负 的主要原因。 气动 图7翼尖截面处流场压力分布 一 图1O机翼表面气动功分布云图 需 扩 柏 j翻i 时阅/s 图8机翼以第1阶模态振动时的模态气动力 流场对机翼振动产生的气动阻尼与机翼振幅的 关系曲线如图9所示。由图9可知,第1阶模态的 气动阻尼最小,振幅相同的情况下,模态阶数越高气 当wing 445.6以第1阶模态振动时,其气动阻 尼会受到机翼振幅、流场马赫数和流速等因素的影 响,机翼第1阶模态气动阻尼可表示为 C 1一c (A,V,Ma) (22) 动阻尼越大,当机翼振动位移幅值小于翼尖弦长的 2.5 时,随着振幅的增大,机翼1~4阶模态振动的 式中:A为机翼振动幅值。 气动阻尼基本保持不变。机翼第1阶模态振动的气 动阻尼小于0,2~4阶模态的气动阻尼大于0,表示 机翼发生1阶模态的颤振,在跨声速流动条件下当 wing 445.6发生颤振时,第1阶模态会率先发生振 动发散。因此,对wing 445.6颤振边界进行预测时 研究表明,当机翼振动位移的幅值小于翼尖弦 长的2.5 时机翼的气动阻尼与机翼振幅大小无 关,故机翼第1阶模态气动阻尼可改写为 f —f ( ,Ma) (23) 当机翼处于颤振临界时,有 c —fi(V,Ma)一0 (24) 只需计算第l阶模态的气动阻尼,然后通过气动阻 尼的正负判断机翼是否发生颤振。 25 20 15 本文设定机翼以第1阶模态振动,位移幅值为 翼尖弦长的1 。当马赫数为0.96时,计算得到的 机翼气动阻尼与无量纲流速之间的关系曲线如图 11所示。气动阻尼大于0表示振动不会发生颤振; lO 罴s 0 —5 一 8 振幅与翼尖弦长比/% 图9模态气动阻尼与振幅之间的关系曲线 气动功是机翼表面气流压力对机翼所做的功, 在机翼表面的流场网格节点M处,气流压力对机翼 图l1 Ma一0.96时气动阻尼随流速变化曲线 http:∥www.jdxb.cn http://zkxb.xjtu.edu.cn 114 西安交通大学学报 第51卷 气动阻尼小于0表示机翼发生颤振;气动阻尼等于 0表示机翼处于颤振临界,流速为0.303。 计算得到的wing 445.6颤振流速如表1所示, 可知计算结果与实验值的相对偏差大约为1.5 9/6, 说明本文算法的正确性。 表1 wing 445.6的颤振流速 振分析研究[J].西北工业大学学报,2005,23(1): 84—88. 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