发布时间 : 星期二 文章ANSYS飞机仿真方案 - 图文更新完毕开始阅读d0d63658bd64783e09122be0
个设计变量在其整个变化范围内对设计目标的影响，该曲线反应设计变量之间的“相关性”。
ANSYS航空气动解决方案
航空气动解决方案1.航空飞行器的研制过程及其需求
航空飞行器的研制通常具有周期长、费用高的特点，因此必须按照分阶段逐步推进的方法，才能形成有效的设计过程。当前的研制手段有风洞试验和气动模拟。典型的飞行器的研制包括概念论证设计阶段、方案设计阶段、工程研制、设计定型阶段和生产定型阶段五个过程。这个过程是从初步到具体，不断深化和具体化的过程。
工程研制阶段主要确定飞行器的总体技术方案。在此阶段针对设计方案的更改需要进行一些气动验证分析。
设计定型阶段主要进行定型试飞。对局部更道内外流自适应网格求解马赫数改需要进行少量气动验证。
对生产定型阶段，可能会有一些更改。这一阶段的气动计算很少。
气动分析的工作量和重要性主要体现在概念论证阶段和方案设计阶段。因此下面针对这两个方面进行具体论述。 1.1.概念论证设计阶段
概念论证设计阶段主要研究新飞行器的可行性，对关键新技术进行初步试验验证，包括气动布局的分析和风洞试验。
在 这个阶段首先需要确定总体气动布局方案。通常可以选择大量的方案进行对比，研究在不同的马赫数、攻角、侧滑角下整机的气动性能，升力、阻力、俯仰力矩等气 动力参数能否达到设计要求，经过充分的论证后，从中选出有足够先进性和实际可行的初步方案，作为进一步的设计基础。这个阶段不可能做大量的风洞试验，因此 需要能够快速进行整机性能预测和方案筛选的气动模拟工具。 CART3D是NASA Ames研究中心开发的高可信度快速气动分析软件。专门进行整机气动分析，除了提取部件和整体的气动力外，还可以进行导弹投掷分析。已经在美欧的航空工业界得到广泛而成功的应用。
举 一个典型飞行器研制的情况，该飞行器需要考虑30种不同攻角，20个马赫数，5种不同侧滑角，总共有3000种不同的计算状态。这对一般的气动计算，至少 需要100000小时的CPU时间。而采用CART3D的并行计算，根据NASA的报道，仅用7天时间就完成了2863种CART3D计算。
CART3D 具有的主要优势是方便、快速和可靠。只需要封闭的部件表面网格，程序自动进行部件相交提取模拟的外部湿表面。然后就可以自动形成空间笛卡尔网格。它求解欧 拉方程，具有优异的并行性能（512个CPU加速可达496倍）。250Mhz Mips R10000的SGI Origin 2000上32个CPU计算52.5万网格的跨音速机翼只需要90秒。能够进行攻角、马赫数、侧滑角批处理计算。因此它非常适于气动数据库的创建，支持预研设计和虚拟飞行。
CART3D并行CPU数与加速性的关系批处理计算得到气动特性响应面
图6-1-1
1.2.方案设计阶段 方案设计阶段的基本内容
方案设计阶段首先根据设计要求，并在概念设计的基础上，进行多种气动布局方案的对比和研究。飞行器气动布局设计的主要工作在方案设计阶段完成。 方案设计阶段的主要工作有：修改、补充和完善飞机的几何外形设计，将气动、结构设计方案具体化。进行比较精确的气动力性能、操纵性、稳定性的计算，还要有大量的风洞试验等等。 方案设计阶段中需要的气动分析
在这个阶段需要大量精确的气动计算。精确的气动计算越多，就可以减少更多的风洞试验。就更有利于缩短研制周期、降低费用。气动分析需要稳健的求解器，强劲快速的网格生成工具，以及求解器高效的并行处理功能。准确的气动分析对网格生成器的要求是：
良好的CAD接口功能，对复杂CAD模型的修补、处理功能；
大型复杂结构的网格划分功能（要求包括所有网格类型），并具有丰富的网格质量判断，网格编辑调整功能。
ANSYS公司的 ICEM CFD是CFD市场上最负盛名的网格生成工具，最适合于航空工业对高精度、高效、大规模计算网格划分的需要。在航空工业界ICEM CFD有着广泛的应用。下面是它的一些特点：
能够导入所有主流CAD软件的模型，并且与CAD有双向参数接口。
具有优异的Octree、拓扑雕塑网格划分技术，包括所有网格类型，非常适合于大型复杂结构的网格生成。
丰富的网格编辑功能。具有网格的光滑、劈分、合并、细化、粗化、转换功能 输出多达110种CAE求解器格式，包括全部的主流CFD和FEA求解器，例如CFX、ANSYS等。可以作为CFD的前后处理通用平台。
图6-1-2 ICEM CFD划分的战斗机非结构化网格图6-1-3 ICEM CFD划分的支线客机全机计算网格
图6-1-4 F18战斗机的全机内外流一体结构化网格模型图6-1-5 F18战斗机局部网格及流场模拟结果 有了良好的网格生成工具是不是就万事大吉了呢？远不是如此。还需要强大的求解器来获得准确的模拟结果。气动分析对求解器的要求是： ü具有复杂气动模拟适用的湍流模型； ü高效可扩展的并行计算功能；
ü激波、漩涡、分离等复杂现象的捕捉； ü自适应网格求解。
ANSYS CFX是新一代的计算流体软件。利用90年代（特别是96年以后）以来的最新计算流体力学技术，采用基于有限元的有限体积方法，其并行求解速度、稳定性、收敛性等技术达到了气动分析的新高度。完全可以满足航空工业气动分析的高标准要求。它具有下列特点：
üCFX在数值方法同时利用了有限元与有限体积法中的优点，具有更高精度； üCFX有高精度的数值处理格式，它是CFD业界中唯一以二阶精度格式作为缺省值的软件；
üCFX是率先采用全隐式耦合多重网格求解技术，使CFD求解稳健而迅速地收敛。并具有先进的自适应网格求解功能；
üCFX优异的并行计算功能，单CPU计算和并行计算收敛曲线相同； ü丰富而适用的湍流模型（包括SST，LES，DES等等）。
图6-1-6优异的并行效率（加速随CPU数线性增长）图6-1-7复杂问题也能够快速收敛 2.飞机研制的具体特点及其气动分析2.1．机翼的气动分析
机翼是影响飞机性能的最重要部件，飞机的升力特性基本由机翼确定。对飞机的阻力也有很大的影响。
飞 机上常用主翼和前后缘襟翼组成的多段翼作为增升装置。起飞、降落时，需要大的升力系数，此时飞行迎角较大，同时，襟翼偏转角也较大，因此，在翼段上可能出 现分离。迎角再大时，分离严重，会出现失速现象。利用ANSYS CFD产品可以方便地计算在各种襟翼配置下达到失速迎角或超过失速迎角时的升力