【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于膜结构流固耦合计算领域，具体是一种考虑初始松弛的膜结构高效流固耦合计算方法。
技术介绍
1、近些年来，超声速飞行器由于具有飞行速度快、突防能力高的特点，受到了各航空航天大国的青睐，成为了研究领域的热门；高速飞行器为了减重，拥有更好的飞行性能，受力结构设计的越来越轻便，结构柔性越来越大，其结构动力学呈现强烈的几何及材料非线性特点，同时其周围流场流动更加复杂，气动弹性问题愈加突出。
2、膜结构是一种特殊的材料，具有轻便，可弯折的特点，也能承受较大的压力；因此，逐渐被应用在飞行器设计过程中。但膜材料与传统材料有较大的差别，同时在实际应用中还存在一定的初始松弛量，传统计算方法不再适用，为了在设计过程中精确的计算飞行器的气动弹性响应，进行流固耦合计算是最有效的方法。
3、流固耦合计算方法是每个学科采用各自独立的软件或方法求解，并通过数据传输和反复迭代实现学科间的耦合。这个过程中通常采用流体力学计算气动力，通过插值算法，将气动力插值到结构上进行变形求解，如此反复更新，迭代出计算结果。
4、但是这种计算方法在得到高精度计算结果的同时对计算能力提出了较高的要求，cfd计算和插值计算都需要进行大量的矩阵求解，通常进行一个工况的计算要耗费较长的时间，动辄需要几周，显然不能满足设计阶段快速迭代计算的需求。
5、而传统的颤振计算方式虽然效率高，如v-g法和p-k法等，但只能从频域角度求解结构动力学方程，得到飞行器的颤振发散速度和颤振频率，无法精确获得飞行器弹性变形的时域响应，精度相较于流固耦
6、因此，亟需一种平衡效率与计算精度的流固耦合计算方法，用于设计阶段的飞行器气动弹性计算。
技术实现思路
1、针对飞行器设计阶段仿真计算的需求，为了解决传统流固耦合算法无法有效模拟存在松弛的薄膜结构在受力后产生的大变形，计算耗费大，无法大量计算，且传统颤振算法只能在频域内计算的问题；本专利技术提出了一种考虑初始松弛的膜结构流固耦合计算方法，可以对飞行器的时域响应进行高效计算，较快的求解出飞行器的颤振速度及气弹响应，广泛应用于飞行器设计阶段。
2、所述考虑初始松弛的膜结构流固耦合计算方法，具体步骤如下：
3、步骤一、针对超声速下的机翼和弹翼，将其简化为带有初始松弛的矩形模型，并划分结构网格和设置计算参数；
4、具体过程为：
5、首先，在考虑初始松弛的情况下，用带有弧度的矩形模型代替传统的平直矩形模型；
6、然后，通过半正弦或正弦的形状方式给薄膜加入初始松弛，即以z＝m*sin(nπx)的曲线形式，松弛度定义为：
7、
8、其中，ls是带有松弛薄膜的模型在xz平面上的曲线长度；lori是带有平直薄膜的模型在xz平面上的曲线长度。
9、在建立了薄膜结构模型后，按照固定大小划分四边形结构网格，网格单元类型选用s4r。
10、计算参数包括：马赫数ma，动压q，空气密度ρ和飞行攻角α等；
11、步骤二、读取当前网格节点坐标以及网格节点速度，气动网格采用结构网格，通过活塞理论计算每个面元对应的压强；
12、压强计算公式如下：
13、
14、a为声速，γ为比热比；h(x,y)是由翼剖面中线量起的厚度函数，上(下)洗的方向取其离开翼型的方向为正；v为飞行速度，z(x,y,t)为当前位置的振动位移。
15、步骤三、将压强值施加给对应的结构面元网格，并将节点气动力写入abaqus的.inp文件中，打开几何非线性设置，调用结构求解器计算结构变形，得到每个节点新的位置，速度和结构的受力值；
16、通过牛顿迭代算法求解结构动力学方程：
17、
18、m为质量矩阵，c为阻尼阵，k为模型当前的刚度阵，f为网格法向受力，通过每个网格面元对应的压强乘以面积得到；
19、步骤四、将各节点新的位置，速度和结构受力值输出到.dat文件中，读取生成节点新的位移和节点速度文件；
20、步骤五、将节点新的位移和节点速度返回步骤二再次使用活塞理论求解网格面元所对应的压强，写入新一轮的.inp文件中，调用abaqus重启动功能，继续计算并将节点计算结果输出到.dat文件中，不断迭代直到完成所有时间步计算。
21、步骤六、将每一时间步的结果汇总得到结构时域变形响应，汇总分析颤振速度，最大变形等计算结果，确保满足设计指标；
22、在计算完成以后，将每一时间步的计算结果按照需求汇总，可以得到不同位置监测点的变形、速度等参数随时间变化曲线，颤振速度以及每个时刻的薄膜结构内部应力等数据。
23、本专利技术的优点在于：
24、本专利技术一种考虑初始松弛的膜结构流固耦合计算方法，针对带有松弛的膜结构构建了整个计算流程，并且气动计算和结构计算采用同一套网格，回避了插值流程，气动力也采用活塞理论，极大的提高计算效率。
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1.一种考虑初始松弛的膜结构流固耦合计算方法，其特征在于，具体步骤如下：
2.如权利要求1所述的一种考虑初始松弛的膜结构流固耦合计算方法，其特征在于，所述步骤一中，在建立了薄膜结构模型后，按照固定大小划分四边形结构网格，网格单元类型选用S4R；
3.如权利要求1所述的一种考虑初始松弛的膜结构流固耦合计算方法，其特征在于，所述步骤三中，通过牛顿迭代算法求解结构动力学方程：
4.如权利要求1所述的一种考虑初始松弛的膜结构流固耦合计算方法，其特征在于，所述步骤六中，在计算完成以后，将每一时间步的计算结果按照需求汇总，得到不同位置监测点的变形、速度参数随时间变化曲线，颤振速度以及每个时刻的薄膜结构内部应力。
【技术特征摘要】
1.一种考虑初始松弛的膜结构流固耦合计算方法，其特征在于，具体步骤如下：
2.如权利要求1所述的一种考虑初始松弛的膜结构流固耦合计算方法，其特征在于，所述步骤一中，在建立了薄膜结构模型后，按照固定大小划分四边形结构网格，网格单元类型选用s4r；
3.如权利要求1所述的一种考虑初始松弛的膜结构流固耦...
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