一种面向流固耦合构件的结构快速仿真分析方法技术

本发明专利技术公开了一种面向流固耦合构件的结构快速仿真分析方法，包括以下步骤：利用流固耦合构件的三维模型，分别在流体仿真软件与结构有限元仿真软件中进行建模分析；在

【技术实现步骤摘要】
一种面向流固耦合构件的结构快速仿真分析方法


[0001]本专利技术属于计算机仿真领域，尤其涉及一种面向流固耦合构件的结构快速仿真分析方法
。

技术介绍

[0002]在飞行器的组成中存在着大量的流固耦合构件，如机翼
、
机身
、
尾翼
、
整流罩等
。
这类构件决定了飞行器的气动外形，并在飞行过程中对气流的流场分布造成动态变化，从而在构件表面产生气动载荷，影响该类构件的结构刚强度性能
。
[0003]针对这类流固耦合构件的设计与校核，一般需结合流体力学与固体力学的分析，开展空气动力学与结构有限元的联合仿真计算
。
在产品研发中，由于专业领域的差异性与计算方法的特殊性，无法使用同一款软件
、
同一套模型实现流体计算与力学分析，为了实现将气动仿真数据应用于结构力学仿真，往往需要人工处理分析大量的数据，存在着流程复杂
、
效率低下
、
难以验证等问题，给这类流固耦合构件的设计校核带来很大困难
。
[0004]为了解决上述问题，相关技术人员已提出一些解决方法
。
如吴敬凯提出了
《
机载雷达天线旋罩的多工况气动载荷有限元自动加载方法
》(
申请号：
CN 114154376 A)
，但该方法只能针对旋罩类结构，且气动载荷布点必须按二维矩阵格式，缺少通用性；丁梦龙提出了
《
计算流体力学与有限元分析联合仿真方法
》(
申请号：
CN 113033056 A)
，但该方法需要自定义节点搜索半径与分配权重，分配精度较难控制，且缺少对载荷处理后的精度验证
。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术提出了一种面向流固耦合构件的结构快速仿真分析方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1：利用构件的三维模型，分别在流体仿真软件与结构有限元仿真软件中进行建模与分析，得到流体仿真结果数据和初步的结构仿真建模数据并输出，流体仿真结果数据包括构件的三维模型的流体仿真网格的节点信息
、
载荷信息，初步的结构仿真建模数据包括构件的三维模型的结构网格的节点信息
、
单元信息；所述构件为流固耦合构件；
[0007]步骤2：在
Matlab
中进行载荷的自动转换及处理，输出结构单元的压力载荷文件；
[0008]步骤3：在
Ansys
中进行载荷的自动加载与验证，并完成最终的结构仿真分析
。
[0009]进一步地，步骤2具体为：
[0010]结合步骤1输出的数据文件，利用
Matlab
编写的载荷转换及处理程序，自动将流体仿真网格下的气动载荷映射到结构网格节点上，再通过结构网格的节点与单元的索引关系获取计算单元压力数值，最终输出供结构有限元仿真时使用的结构单元的压力载荷文件
。
[0011]进一步地，步骤3具体为：
[0012]利用
Ansys
命令流将步骤2输出的结构单元的压力载荷自动加载到结构有限元仿真模型上，通过输出载荷分布云图与合力
、
合力矩数值，与流体仿真结果进行对比验证，确保载荷转换与处理的精度满足要求后，再进行结构有限元仿真分析校核其结构性能
。
[0013]进一步地，步骤1具体包括以下步骤：
[0014]步骤
1.1
：在参数化建模软件中创建所需流固耦合构件的几何模型，并按通用的数据格式导出模型文件；
[0015]步骤
1.2
：将步骤
1.1
的几何模型导入流体仿真软件中，结合不同工况对应的边界条件进行流体仿真分析，得到该构件在气动流场下的压力分布情况，将流体仿真网格的节点编号及节点的三维直角坐标
、
气动压强载荷数值进行输出并做规范化处理；
[0016]步骤
1.3
：将步骤
1.1
的几何模型导入结构有限元仿真软件中建模，将结构网格的节点编号及节点的三维直角坐标
、
单元编号及各单元对应的节点编号关系进行统一输出并做规范化处理
。
[0017]进一步地，步骤2具体包括以下步骤：
[0018]步骤
2.1
：将流体仿真网格节点三维直角坐标的单位值
、
坐标系与结构网格节点进行匹配统一，具体为：读取步骤
1.2
和
1.3
输出的文件，通过平移
、
旋转
、
缩放，将流体仿真网格节点坐标向结构网格节点坐标进行匹配，统一单位制与坐标系描述；
[0019]步骤
2.2
：流体仿真网格节点坐标及气动压强为一组离散的数值矩阵，利用散点数据插值，拟合获取结构网格节点处对应的载荷数值：
[0020]步骤
2.3
：利用结构网格中各单元对应的节点编号关系，通过索引将节点载荷合成为单元压力载荷；
[0021]步骤
2.4
：按结构有限元仿真所需的数据格式，输出结构单元的压力载荷文件
。
[0022]进一步地，步骤3具体包括以下步骤：
[0023]步骤
3.1
：采用命令流形式打开结构单元的压力载荷文件，并读取对应数据至载荷表中，将步骤2输出的结构单元的压力载荷自动加载到结构有限元仿真模型上；
[0024]步骤
3.2
：通过显示加载后的单元压力云图，与流体仿真的载荷分布结果进行对比，实现载荷转换及处理精度的可视化验证；
[0025]步骤
3.3
：在结构有限元仿真软件中通过提取支反力得到合力与合力矩数值，与流体仿真结果进行数值对比，实现载荷转换及处理精度的量化验证；
[0026]步骤
3.4
：在结构单元的压力载荷数据得到充分验证后，开展有限元仿真分析，对构件在流场变化及气动载荷作用下的结构刚强度性能进行校核评估
。
[0027]进一步地，合力与合力矩的数值与流体仿真结果的误差大小在
10
％以内即满足工程使用要求
。
[0028]本专利技术与现有技术相比，具备的优点在于：
[0029]本专利技术基于
Matlab
开发了载荷转换及处理程序，可自动将流体仿真模型与结构有限元仿真模型的节点坐标进行映射匹配，并将气动载荷数据通过插值转换后，输出结构网格单元压力载荷文件，再通过
Ansys
命令流形式完成结构载荷的自动加载分析，以及载荷分布的可视化与量化验证，解决了人工操作流程复杂
、
耗时较长
、
数据处理无法验证等问题，具有程序通用性强
、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种面向流固耦合构件的结构快速仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：利用构件的三维模型，分别在流体仿真软件与结构有限元仿真软件中进行建模分析，得到流体仿真结果数据和初步的结构仿真建模数据并输出，流体仿真结果数据包括构件的三维模型的流体仿真网格的节点信息
、
载荷信息，初步的结构仿真建模数据包括构件的三维模型的结构网格的节点信息
、
单元信息；所述构件为流固耦合构件；步骤2：在
Matlab
中进行载荷的自动转换及处理，输出结构单元的压力载荷文件；步骤3：在
Ansys
中进行载荷的自动加载与验证，并完成最终的结构仿真分析
。2.
根据权利要求1所述的面向流固耦合构件的结构快速仿真分析方法，其特征在于，步骤2具体为：结合步骤1输出的数据文件，利用
Matlab
编写的载荷转换及处理程序，自动将流体仿真网格下的气动载荷映射到结构网格节点上，再通过结构网格的节点与单元的索引关系获取计算单元压力数值，最终输出供结构有限元仿真时使用的结构单元的压力载荷文件
。3.
根据权利要求1所述的面向流固耦合构件的结构快速仿真分析方法，其特征在于，步骤3具体为：利用
Ansys
命令流将步骤2输出的结构单元的压力载荷自动加载到结构有限元仿真模型上，通过输出载荷分布云图与合力
、
合力矩数值，与流体仿真结果进行对比验证，确保载荷转换与处理的精度满足要求后，再进行结构有限元仿真分析校核其结构性能
。4.
根据权利要求1所述的面向流固耦合构件的结构快速仿真分析方法，其特征在于，步骤1具体包括以下步骤：步骤
1.1
：在参数化建模软件中创建所需流固耦合构件的几何模型，并按通用的数据格式导出模型文件；步骤
1.2
：将步骤
1.1
的几何模型导入流体仿真软件中，结合不同工况对应的边界条件进行流体仿真分析，得到该构件在气动流场下的压力分布情况，将流体仿真网格的节点编号及节点的三维直角坐标
、
气动压强载荷数值进行输出并做规范化处理；步骤
1.3
：将步骤
1.1
...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾张祺，程丹，陈小飞，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十四研究所，
类型：发明
国别省市：