基于CSD/CFD舵面气动力流固耦合仿真分析

徐琳　梁建　段丽华　王春艳

摘要：      空空导弹空气舵面与气动力存在流固耦合作用。 采用ANSYS Workbench 14.5对空气舵面与气动力进行了流固耦合仿真分析， 研究了攻角和马赫数对舵面振动位移的影响。 研究表明， 舵面振动位移频率受攻角和马赫数的影响较小， 舵面振动位移幅值随攻角和马赫数的增大而增大， 并呈非线性关系。 低马赫数范围内， 飞行速度的变化对舵面振动位移的影响更为明显。 攻角为30°， 马赫数为3时， 舵面振动位移曲线更趋向于等幅振动， 舵面趋向于颤振临界状态。

关键词：     空空导弹; 流固耦合; 攻角; 马赫数; 颤振; 舵面

中图分类号：      TJ765.4文獻标识码：    A文章编号：     1673-5048（2020）02-0047-06

0引言

舵机作为导弹飞控系统的执行机构， 依靠舵面产生的空气动力及气动力矩控制弹体， 使导弹按需要的弹道飞行。 导弹高速飞行过程中舵面与气流发生强耦合作用， 高速气流作用于舵面产生激振力可导致舵面变形， 舵面的弹性变形又影响舵表面载荷及分布。 因此， 研究导弹舵面与气流的耦合作用对于揭示舵系统动态特性具有重要意义。

采用CSD/CFD方法可真实地模拟流固耦合运动情况， 并准确求解颤振问题[1-2]。 对风机叶轮进行流固耦合仿真分析， 进而减小应力集中和叶片风阻， 从而提高叶轮工作效率[3]。 在推力矢量控制系统设计过程中， 研究燃气舵多场耦合作用， 有助于分析燃气舵气动颤振特性[4-5]。 研究高压气体与转子间的耦合作用， 得出气流激振成为影响机组安全稳定运行的重大威胁之一[6]。 飞行器高超声速飞行时， 多场耦合作用更为明显， 飞行器的结构固有频率在气动力和气动加热综合作用下可发生改变[7]。 研究导弹弹体热-流-固耦合作用可改进弹体热防护结构， 有效提高导弹气动热防护性能[8]。 攻角和来流速度对叶片稳定性影响较大， 采用流固耦合研究发动机叶片振动位移响应可预测颤振点[9-10]。 由此可见， 对飞行器进行多物理场耦合研究， 能更真实地模拟和分析飞行器真实工作状态， 提高飞行器设计水平。

空空导弹作为现代空战中重要的精确制导武器， 减小气动阻力和提高机动性是重要的设计指标之一。 航空、 航天技术的深入发展， 多物理场耦合仿真已成为导弹总体方案设计阶段的重要环节， 经仿真分析可有效避开“颤振”临界点， 优化气动外形， 提高机动性能等[11-14]。 采用流固耦合方法可预测出大展弦比制导炸弹运用柔性翼气动特性的优势[15]。 采用二维计算模型亦可较灵活地研究三维模型问题[16]。 因此， 本文采用CSD/CFD方法从攻角和飞行速度两个方面对空空导弹空气舵面与气动力的耦合作用开展研究。

1舵面流固耦合仿真建模

为真实反映导弹飞行过程中舵面的工作情况， 需同时考虑气动和结构两方面相互作用影响， 即进行双向流固耦合计算。 动网格技术和插值方法成为耦合场求解的关键。

1.1几何建模

本文选取某空空导弹空气舵面为研究对象， 对其弹性变形与气动力展开流固耦合仿真分析。 由于空气舵面围绕弹体圆周均匀对称布置， 故选取单个舵面进行仿真分析建模， 忽略舵面圆角处对仿真结果的影响， 几何模型如图1所示。 为减少仿真计算量， 提高计算效率， 本文未考虑相邻舵面间气流扰动造成的相互影响。 建立舵面周围包络区域为流体计算域， 尺寸为200 mm×200 mm×400 mm， 计算域模型关于面对称， 模型通过转动舵面角度从而改变飞行攻角， 舵面流体计算域几何模型如图2所示。

1.3边界条件设置

空气舵面壁面绝热无滑移， 入流边界为速度入口边界， 出流边界为自由出流， 舵面壁面边界为壁面绝热无滑移， 不考虑摩擦等因素， 压力远场条件为远场压力与环境压力相等， 采用标准大气相应高度下的参数[17]。 流体计算域边界条件设置如图3所示。

1.4流固耦合计算方法

采用ANSYS Workbench 14.5作为耦合平台来传递流场压力载荷和结构位移数据， 进行双向流固耦合仿真计算。 空气舵面结构响应计算采用Transient Structural （ANSYS）进行瞬态结构强度分析， 流体计算域采用Fluid Flow （CFX）进行全三维非定常流场数值仿真。 流固耦合计算求解流程如图4所示。

流体计算域采用Standard k-ε湍流模型， 流场的非定常计算和结构瞬态分析采用相同的时间步长， 具体时间步长设定需考虑来流速度、 动网格重构以及模型仿真计算耗时。

每个时间步求解过程中， 舵面弹性位移使周围流场结构发生变化， CFD网格跟随舵面壁面边界适应至新位置， 本文计算时使用CFX软件设置动网格进行网格重构。 计算过程中， 耦合交界面上的网格节点位移变化通过舵面弹性位移进行插值得到。 为避免网格变形严重， 导致网格质量下降， 影响计算精度， 舵面周围附近流场网格节点也要相应的产生位移。 每次流场进行迭代计算前， 通过求解网格位移方程得到节点位移变化量， 进而更新网格节点坐标值， 形成新的流场网格[2]。 动网格重构过程如图5所示。

1.5仿真计算网格模型

舵面材料选用不锈钢， 流体介质为空气。 定义除舵面固定轴根部以外的其他表面为流固耦合交界面， 该交界面上接受来自空气流场的压力数据， 同时向流场传递结构位移数据。 由于空气舵面表面为流固耦合交界面， 模型网格划分时需对舵面模型局部区域网格适当加密， 确保动网格顺利重构。 空气舵面网格模型、 流体计算域网格模型分别如图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