基于CSD/CFD舵面氣動力流固耦合仿真分析

徐琳　梁建　段麗華　王春艷

摘要：? ? ? 空空導彈空氣舵面與氣動力存在流固耦合作用。 采用ANSYS Workbench 14.5對空氣舵面與氣動力進行了流固耦合仿真分析， 研究了攻角和馬赫數對舵面振動位移的影響。 研究表明， 舵面振動位移頻率受攻角和馬赫數的影響較小， 舵面振動位移幅值隨攻角和馬赫數的增大而增大， 并呈非線性關系。 低馬赫數范圍內， 飛行速度的變化對舵面振動位移的影響更為明顯。 攻角為30°， 馬赫數為3時， 舵面振動位移曲線更趨向于等幅振動， 舵面趨向于顫振臨界狀態。

關鍵詞：? ? ?空空導彈; 流固耦合; 攻角; 馬赫數; 顫振; 舵面

中圖分類號：? ? ? TJ765.4文獻標識碼：? ? A文章編號：? ? ?1673-5048（2020）02-0047-06

0引言

舵機作為導彈飛控系統的執行機構， 依靠舵面產生的空氣動力及氣動力矩控制彈體， 使導彈按需要的彈道飛行。 導彈高速飛行過程中舵面與氣流發生強耦合作用， 高速氣流作用于舵面產生激振力可導致舵面變形， 舵面的彈性變形又影響舵表面載荷及分布。 因此， 研究導彈舵面與氣流的耦合作用對于揭示舵系統動態特性具有重要意義。

采用CSD/CFD方法可真實地模擬流固耦合運動情況， 并準確求解顫振問題[1-2]。 對風機葉輪進行流固耦合仿真分析， 進而減小應力集中和葉片風阻， 從而提高葉輪工作效率[3]。 在推力矢量控制系統設計過程中， 研究燃氣舵多場耦合作用， 有助于分析燃氣舵氣動顫振特性[4-5]。 研究高壓氣體與轉子間的耦合作用， 得出氣流激振成為影響機組安全穩定運行的重大威脅之一[6]。 飛行器高超聲速飛行時， 多場耦合作用更為明顯， 飛行器的結構固有頻率在氣動力和氣動加熱綜合作用下可發生改變[7]。 研究導彈彈體熱-流-固耦合作用可改進彈體熱防護結構， 有效提高導彈氣動熱防護性能[8]。 攻角和來流速度對葉片穩定性影響較大， 采用流固耦合研究發動機葉片振動位移響應可預測顫振點[9-10]。 由此可見， 對飛行器進行多物理場耦合研究， 能更真實地模擬和分析飛行器真實工作狀態， 提高飛行器設計水平。

空空導彈作為現代空戰中重要的精確制導武器， 減小氣動阻力和提高機動性是重要的設計指標之一。 航空、 航天技術的深入發展， 多物理場耦合仿真已成為導彈總體方案設計階段的重要環節， 經仿真分析可有效避開“顫振”臨界點， 優化氣動外形， 提高機動性能等[11-14]。 采用流固耦合方法可預測出大展弦比制導炸彈運用柔性翼氣動特性的優勢[15]。 采用二維計算模型亦可較靈活地研究三維模型問題[16]。 因此， 本文采用CSD/CFD方法從攻角和飛行速度兩個方面對空空導彈空氣舵面與氣動力的耦合作用開展研究。

1舵面流固耦合仿真建模

為真實反映導彈飛行過程中舵面的工作情況， 需同時考慮氣動和結構兩方面相互作用影響， 即進行雙向流固耦合計算。 動網格技術和插值方法成為耦合場求解的關鍵。

1.1幾何建模

本文選取某空空導彈空氣舵面為研究對象， 對其彈性變形與氣動力展開流固耦合仿真分析。 由于空氣舵面圍繞彈體圓周均勻對稱布置， 故選取單個舵面進行仿真分析建模， 忽略舵面圓角處對仿真結果的影響， 幾何模型如圖1所示。 為減少仿真計算量， 提高計算效率， 本文未考慮相鄰舵面間氣流擾動造成的相互影響。 建立舵面周圍包絡區域為流體計算域， 尺寸為200 mm×200 mm×400 mm， 計算域模型關于面對稱， 模型通過轉動舵面角度從而改變飛行攻角， 舵面流體計算域幾何模型如圖2所示。

1.3邊界條件設置

空氣舵面壁面絕熱無滑移， 入流邊界為速度入口邊界， 出流邊界為自由出流， 舵面壁面邊界為壁面絕熱無滑移， 不考慮摩擦等因素， 壓力遠場條件為遠場壓力與環境壓力相等， 采用標準大氣相應高度下的參數[17]。 流體計算域邊界條件設置如圖3所示。

1.4流固耦合計算方法

采用ANSYS Workbench 14.5作為耦合平臺來傳遞流場壓力載荷和結構位移數據， 進行雙向流固耦合仿真計算。 空氣舵面結構響應計算采用Transient Structural （ANSYS）進行瞬態結構強度分析， 流體計算域采用Fluid Flow （CFX）進行全三維非定常流場數值仿真。 流固耦合計算求解流程如圖4所示。

流體計算域采用Standard k-ε湍流模型， 流場的非定常計算和結構瞬態分析采用相同的時間步長， 具體時間步長設定需考慮來流速度、 動網格重構以及模型仿真計算耗時。

每個時間步求解過程中， 舵面彈性位移使周圍流場結構發生變化， CFD網格跟隨舵面壁面邊界適應至新位置， 本文計算時使用CFX軟件設置動網格進行網格重構。 計算過程中， 耦合交界面上的網格節點位移變化通過舵面彈性位移進行插值得到。 為避免網格變形嚴重， 導致網格質量下降， 影響計算精度， 舵面周圍附近流場網格節點也要相應的產生位移。 每次流場進行迭代計算前， 通過求解網格位移方程得到節點位移變化量， 進而更新網格節點坐標值， 形成新的流場網格[2]。 動網格重構過程如圖5所示。

1.5仿真計算網格模型

舵面材料選用不銹鋼， 流體介質為空氣。 定義除舵面固定軸根部以外的其他表面為流固耦合交界面， 該交界面上接受來自空氣流場的壓力數據， 同時向流場傳遞結構位移數據。 由于空氣舵面表面為流固耦合交界面， 模型網格劃分時需對舵面模型局部區域網格適當加密， 確保動網格順利重構。 空氣舵面網格模型、 流體計算域網格模型分別如圖6～7所示。

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Abstract： There is fluid solid coupling effect between the aerodynamic force and the air rudder surface of airtoair missile. ANSYS Workbench 14.5 is used to simulate this fluid solid coupling effect， and the influence of attack angle and Mach number on the vibration displacement of the rudder surface are studied. The simulation results show that， the frequency on the vibration displacement of the rudder surface is less affected by the angle of attack and Mach number， and the amplitude of the vibration displacement of the rudder surface increases with the increase of the attack angle and Mach number， which is nonlinear change. In the low Mach number range， the influence of the change of the flight speed on the vibration displacement of the rudder surface is more obvious. When the angle of attack is 30° and the Mach number is 3， the vibration displacement of rudder surface tends to the equal amplitude vibration and the rudder surface tends to the flutter critical state.

Key words： airto air missile; fluid solid coupling; angle of attack; Mach number; flutter; rudder surface