基于流固耦合的跑道關(guān)閉指示裝置結(jié)構(gòu)仿真分析

1、PAGE 68機 械 工 程 學(xué) 報第39卷第2期期基于流固耦合的跑道關(guān)閉指示裝置結(jié)構(gòu)仿真分析張積洪，張金龍（中國民航大學(xué) 航空自動化學(xué)院，天津 300300）摘要：跑道關(guān)閉指示裝置是機場地面主要的目視助航設(shè)備之一，承受當(dāng)?shù)氐湫惋L(fēng)力載荷。該文應(yīng)用流固耦合分析方法，在ANSYS Workbench有限元分析平臺上，對指示裝置在特定風(fēng)場下進(jìn)行仿真模擬，得到了指示裝置所處流場的風(fēng)速和風(fēng)壓分布。以流場計算結(jié)果為輸入，對指示裝置進(jìn)行固體場的仿真分析，得到了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形情況。分析結(jié)果可為后期的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)和參考。關(guān)鍵詞：跑道關(guān)閉；流固耦合；ANSYS Workbench；風(fēng)壓分布

2、；應(yīng)力 中圖分類號：TH122/TB126 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：Stuctural simulation analysis of runway closure instruction device based on Fluid-solid CouplingZHANG Jihong，ZHANG Jinlong（College of Aeronautical Automation，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China）Abstract：The runway closure instruction device is o

3、ne of the main ground lighting aids facilities at the airport. It withstands local typical wind load. In this paper, Fluid-solid coupling method was used to simulate the device in the particular wind field through the finite element analysis platform of ANSYS Workbench. Through the simulation, the v

4、elocity distribution and pressure distribution of the flow field were got. Based on the above simulation value, the solid field simulation and analysis were executed which showed the stress distribution and deformation of the structure. The analysis results can provide a theoretic basis and referenc

5、e for the further study on the improvement and optimization of the design for the structure.Key words：runway-closure; fluid-solid coupling; ANSYS Workbench; wind pressure distribution; stress隨著我國民航業(yè)的迅速發(fā)展，機場改擴建的進(jìn)程日益加快，同時機場的不停航施工情況逐漸增多，在突發(fā)跑道、滑行道或聯(lián)絡(luò)道等緊急修復(fù)或施工維修的情況下，為保證航空器的正常運行，需要對以上位置實施關(guān)閉。此外，由于天氣、事故等諸多原

6、因，也需要對跑道實施臨時關(guān)閉。對于臨時需要關(guān)閉的跑道，大部分機場目前是通過發(fā)布航行通告或利用停止排燈來通知飛行員跑道是否關(guān)閉。這樣缺乏明確關(guān)閉指示信號的做法對飛行區(qū)或正處于進(jìn)近降落的飛機存在巨大的安全隱患，這凸顯了跑道臨時關(guān)閉指示裝置研究的必要性和緊迫性。針對這一問題設(shè)計的跑道臨時關(guān)閉標(biāo)識車可在跑道需要臨時關(guān)閉時駛?cè)肽康牡攸c，打開可伸縮的“X”形指示裝置，接通安裝在指示裝置上的目視收稿日期：助航燈具，明確指明該跑道處于臨時關(guān)閉狀態(tài)。圖1為指示裝置的機械結(jié)構(gòu)。圖1 跑道關(guān)閉指示裝置示意圖作者簡介：張積洪（1956），男，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向為機場特種設(shè)備及機電一體化技術(shù)。通信作者：

7、張金龍，Email： HYPERLINK mailto: Tel天津市東麗區(qū)中國民航大學(xué)北教3106室由于機場跑道臨時關(guān)閉標(biāo)示車的使用條件及特點要求保證“X”形跑道關(guān)閉指示裝置在風(fēng)力載荷作用下具有一定的結(jié)構(gòu)強度和剛度，因此準(zhǔn)確計算出風(fēng)荷載就顯得尤為重要。流固耦合是流體力學(xué)和固體力學(xué)交叉而生的一門邊緣科學(xué)。它的研究對象是流場和固體變形場間相互作用的行為。隨著流固耦合技術(shù)的不斷發(fā)展，它已經(jīng)運用到水利、航空航天、機械、海洋、地震地質(zhì)、生物以及核工程等各個領(lǐng)域。尤其是大型數(shù)值仿真模擬軟件的應(yīng)用，比如ANSYS、ANSYS Workbench CFX、FLUENT等，使得處理流

8、固耦合問題更加方便快捷1。文中運用ANSYS Workbench平臺的流體力學(xué)分析模塊（Fluid Flow CFX）和靜力結(jié)構(gòu)分析模塊（Static Structural）對機場跑道關(guān)閉指示裝置進(jìn)行流固耦合分析，得到了指示裝置在風(fēng)力載荷作用下的變形和應(yīng)力分布，為后期的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)和參考。1 流固耦合分析理論流固耦合是在流體場和固體場之間進(jìn)行交叉迭代，通過場間耦合媒介交換耦合信息。流固耦合分為單向流固耦合和雙向流固耦合兩種類型。單向流固耦合應(yīng)用于流體場對固體場作用后，固體變形不大的情況，即流場的邊界形貌由于固體變形導(dǎo)致的改變很小，不影響流體場分布2。本文屬于單向流固耦

9、合范疇，其基本思路是先數(shù)值求解控制流體流動的微分方程（CFD法），得到流場在連續(xù)區(qū)域的離散分布，以此來模擬風(fēng)的流動情況，從而得到壓力分布等流場信息；然后將風(fēng)壓分布作為載荷加載到“X”形指示裝置上，通過有限單元法（FEM法）得到指示裝置應(yīng)力分布和變形情況。1.1 流體場的分析理論 流體場的分析采用基于Navier-Stokes方程的CFD法，Navier-Stokes方程主要從質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒的基本原理導(dǎo)出。質(zhì)量守恒方程： （1）動量守恒方程： （2）能量守恒方程： （3） 上述公式中，表示流體的密度；為時間；是流體速度矢量；是流體壓力；為微元外部體積力；為微元內(nèi)部體積力；為微元能量

10、；為微元表面粘性應(yīng)力張量。聯(lián)立求解微分方程（1）、（2）、（3）即可得到流場的分布。1.2 固體場的分析理論固體場的分析采用有限元法（FEM），其基本思想是將連續(xù)的求解域離散成有限個簡單單元的組合，以此來模擬或逼近原來的物體。物體被離散后，通過對其中各個單元進(jìn)行分析，最終得到對整個物體的分析結(jié)構(gòu)3。FEM法的一般步驟如下：（1）連續(xù)結(jié)構(gòu)離散化； （2）選擇單元位移模式，進(jìn)行單元的力學(xué)分析； （3）根據(jù)虛功原理和彈性力學(xué)理論建立單元的有限元方程： （4）由單元剛度矩陣經(jīng)過坐標(biāo)變換組裝為整體剛度矩陣： （5）添加合適的邊界條件，求得總剛度方程：（6）求得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與位移。1.3 ANSYS Wor

11、kbench流固耦合分析流程耦合場分析要求分析軟件本身具有多種場的分析功能，能在統(tǒng)一的界面和數(shù)據(jù)庫下同時模擬多種現(xiàn)象的單元1。ANSYS Workbench流固耦合分析基于流體力學(xué)分析模塊（Fluid Flow CFX）和靜力結(jié)構(gòu)分析模塊（Static Structural），在統(tǒng)一的平臺下進(jìn)行分析，其基本流程如圖2所示。作為輸入耦合求解定義固體載荷CAD軟件Design Modeler固場模型流場模型ANSYS Workbench FSIFluid Flow（CFX）Static StructuralFEA固場網(wǎng)格劃分流場網(wǎng)格劃分，流域定義CFD流場分析添加約束，定義耦合面流場分析結(jié)果輸出結(jié)

12、果圖2 ANSYS Workbench流固耦合分析流程圖2 流固耦合分析過程2.1 模型的建立 跑道關(guān)閉指示裝置承受風(fēng)力載荷的部位為“X”形標(biāo)識和支撐柱，因此將其作為固體場模型。建模時，模型尺寸按照設(shè)計尺寸，并且根據(jù)實際情況進(jìn)行合理簡化。流體場則為風(fēng)場，較大的流體場劃分能夠保證風(fēng)的入口速度、出口背壓以及開口壓力不會受到固體模型的影響。因此建立了簡單規(guī)則的寬闊長方體區(qū)域作為流體場。將指示裝置模型和流體場模型在Pro/E軟件中裝配起來，導(dǎo)入ANSYS Workbench自帶的CAD模塊Design Modeler中進(jìn)行模型修改，將實體流場轉(zhuǎn)換為流體幾何。圖3為在Design Modeler中實現(xiàn)的

13、流體場和固體場模型。圖3 Design Modeler中的流場和固場模型2.2 流體場分析2.2.1 流體場網(wǎng)格劃分流體場的網(wǎng)格劃分是在ANSYS Workbench平臺下的CFXMesh中完成的，考慮到近地層的氣流流動由于受到地表粗糙條件的影響，表現(xiàn)為復(fù)雜的湍流，較細(xì)的網(wǎng)格劃分可以能夠更加真實的反映實際風(fēng)場的流動情況。在兼顧精度和速度的情況下，采用四面體結(jié)構(gòu)化非均勻網(wǎng)格劃分法，共劃分為433106個單元。圖4為流體場的網(wǎng)格劃分情況。圖4 流體場網(wǎng)格劃分2.2.2 流體場邊界條件 （1）進(jìn)口邊界條件風(fēng)力取當(dāng)?shù)?5年內(nèi)出現(xiàn)的最大風(fēng)力，通常取10級風(fēng)，平均風(fēng)速為25 m/s，環(huán)境溫度25C，將進(jìn)口

14、壓力作為參考壓力，設(shè)為0。（2）出口邊界條件 跑道關(guān)閉指示裝置所處外部環(huán)境的相對壓力為0，因此出口背壓設(shè)為0?；亓鞯耐牧鞫仍O(shè)為2%。（3）壁面條件 將風(fēng)作為粘性不可壓縮流體，設(shè)流場側(cè)壁無滑動，且風(fēng)與指示裝置在流固耦合面上相對壓力和相對速度為0。（4）湍流模型 選用應(yīng)用較為廣泛、計算量相對較小且收斂速度較快的湍流模型。 2.2.3 CFX求解結(jié)果 求解在CFX-Solver中進(jìn)行，迭代25次后，各項殘差達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)殘差：（圖5），方程收斂，求得耦合面的速度和風(fēng)壓分布（圖6和圖7）。圖5 CFX求解收斂曲線圖6 流體場在耦合面的速度分布圖7流體場在耦合面的壓力分布2.3 固體場分析2.3.1 指示裝置

15、材料屬性的定義 跑道關(guān)閉指示裝置的“X”形標(biāo)識和支撐柱均采用三節(jié)式可伸縮方管，材料為鋁合金2024T4，密度，楊氏模量，泊松比，屈服極限。每兩節(jié)方管內(nèi)外管壁之間填充聚氨酯過渡材料，起到緩沖吸振的作用。聚氨酯材料使用兩參數(shù)MooneyRivlin超彈性橡膠模型，密度，楊氏模量，泊松比。2.3.2 固體場網(wǎng)格劃分固體場的網(wǎng)格劃分直接在Static Structural模塊中由ANSYS Workbench劃分，指示裝置的鋁合金部分采用基于Mechanical物理場的網(wǎng)格劃分方式；聚氨酯填充部分采用適用于大變形和材料非線性的高級全局控制Aggressive Mechanical方式，并且進(jìn)行局部網(wǎng)格

16、細(xì)化。網(wǎng)格劃分情況如圖 8所示。圖8（a）固體場網(wǎng)格劃分情況圖8（b）聚氨酯材料局部網(wǎng)格細(xì)化2.3.3 約束條件的添加在跑道關(guān)閉指示裝置的支撐柱底部表面施加位移全約束。指示裝置的的載荷分為兩部分：包含目視助航燈具在內(nèi)的裝置自身重力載荷；從流體場分析結(jié)果中導(dǎo)入的風(fēng)壓載荷。由于CFX模塊和Static Structural模塊在ANSYS Workbench平臺下具有統(tǒng)一的界面和數(shù)據(jù)庫，因此在CFX中得到的風(fēng)壓載荷可以方便的施加到與流體場耦合的指示裝置表面。2.3.4 固體場求解結(jié)果在Static Structural結(jié)果設(shè)置中選擇Equivalent（VonMises）、Total Deformation，求解得到指示裝置的應(yīng)力分布和變形情況。如圖9和圖10所示。圖9固體場等效應(yīng)力圖圖10固體場變形圖 由應(yīng)力云圖可以看出應(yīng)力最大區(qū)域位于中間連接處，最大應(yīng)力為23MPa，小于材料的屈服強度，滿足強度要求。由位移云圖可以看出裝置的最大變形位于“X”形標(biāo)識頂端，最大位移為10.5mm，滿足剛度要求。3 結(jié)束語應(yīng)用流固耦合分析方法，在ANSYS Workbench有限元分析平臺