专利名称：一种流-固载荷的转换方法
技术领域：
本发明涉及一种流-固载荷的转换方法，特别是涉及一种高精度开放式的流-固载荷的转换方法。
背景技术：
在飞行器的结构设计时，流固耦合是一个必须要考虑的问题。由于流体域和固体域控制方程特点的不同，在流体力学中更多的是使用Euler坐标系，主要研究空间点的运动状态，用计算流体力学方法求解，而在固体力学中习惯采用Lagrangian坐标系，主要研究物质点的运动，采用计算结构动力学方法求解，其主要使用的方法是有限元法。其共同的特点都是要对求解域进行划分网格离散求解。随着航天技术的日益进步，飞行器的气动外形和结构形式越来越复杂，飞行器承受载荷的形式也越来越复杂。如何解决流体气动网格的载荷向固体结构单元载荷的转化， 是一个非常重要的问题。在针对飞行器的实际工程计算中，流场的数值计算要求计算网格从飞行器表面伸展到空间相对模型特征长度足够大处，固体结构单元计算要求计算网格从飞行器表面延伸到内部。另一方面，流场数值计算一般在物体表面斜率变化大处网格要细一些，而固体结构单元要求物体表面网格尽量要划分得均勻些，以便能够方便地求出刚度矩阵。在航空航天等工业领域处理类似问题的传统做法包括气动结构共节点法、三点挑方法、表面样条插值法。这三种比较流行的处理方法都有一定缺陷，精度不足。所以亟需设计出一种克服传统方法缺陷的，实现不同网格系统之间高精度转化的流-固载荷的转换方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高精度的开放式的流-固载荷的转换方法。为解决上述技术问题，本发明一种流-固载荷的转换方法，依次包括以下步骤步骤1、采集固体结构的实际外形和物理尺寸，建立流场计算模型；采集固体结构所处的流场的物理参数，对流场计算模型划分气动网格，得到每个气动网格节点的坐标和每个气动网格节点的气动力；步骤2、根据步骤1采集的固体结构的实际外形和物理尺寸，建立固体计算模型和整体坐标系；对固体计算模型划分固体结构单元和固体结构单元的节点，确定每个节点所属的固体结构单元，每个固体结构单元的节点在整体坐标系下的坐标；所述固体结构单元包括实体单元和板壳单元；步骤3、当固体结构单元为实体单元，判别固体结构单元的受力面，采集受力面的面积；当固体结构单元为板壳单元，采集受力面的面积；步骤4、在每个固体结构单元的中面上建立一个局部坐标系；步骤5、得到每个局部坐标系的方向余弦，建立整体坐标系和每个局部坐标系之间的转换矩阵；
步骤6、得到气动网格节点到每个固体结构单元的距离；气动网格节点到每个固体结构单元的距离为气动网格压心节点到固体结构单元所属的节点的距离的平均值；得到离气动网格节点距离最近的固体结构单元；重复本步骤，找到每个气动网格节点所对应的离其距离最近的固体结构单元；步骤7、将每个气动网格节点的气动力乘以该气动网格节点所对应的固体结构单元的受力面的面积，得到集中力；步骤8、建立每个固体结构单元的等参单元，并确立等参单元的节点、确立固体结构单元的节点与该固体结构单元对应的等参单元的节点之间的对应关系，确立每个等参单元在自然坐标系下相应的位移形函数；步骤9、建立每个固体结构单元和其对应的等参单元的映射关系，得到映射关系的雅克比行列式；步骤10、建立自然坐标系下的等参单元的面积微元，将雅克比行列式乘以自然坐标系下的等参单元的面积微元，得到总体坐标系下的固体结构单元的面积微元；步骤11、利用最小势能原理，将集中力转化为局部坐标系下固体结构单元的节点力；步骤12、依据步骤5确定的局部坐标系和整体坐标系的转换矩阵，将步骤11得到的节点力转换到整体坐标系下，得到整体坐标系下的所有节点力；步骤13、将对应于同一个的固体结构单元的节点力叠加，得到每个固体结构单元的节点力。步骤11包括令气动力在任意的虚位移上对固体结构做的功和节点力在任意的虚位移上对固体结构做的功相等，令虚位移和实际位移具有相同的位移形函数；当固体结构单元为板壳单元，令集中力作用在板壳单元对应的等参单元的中心， 将等参单元的位移形函数的转置矩阵乘以集中力列阵，得到等参单元的节点力，根据等参单元的节点和固体结构单元的节点的对应关系，得到局部坐标系下的与等参单元对应的板壳单元的节点力；当固体结构单元为实体单元，令集中力作用在实体单元对应的等参单元的中心， 将等参单元的位移形函数的转置矩阵乘以集中力列阵再乘以总体坐标系下的固体结构单元的面积微元，并对实体单元受力面的面积区域求积分，得到局部坐标系下与等参单元对应的实体单元的节点力；步骤4在每个固体结构单元的中面上建立一个局部坐标系，是利用有限元单元局部坐标的建立法则进行建立的。本发明通过引入能量的观点，依据最小势能原理，能够很好地实现流体气动网格和固体结构网格之间的载荷转换，达到较高的精度，具有较高的实际应用价值。本发明具有开放性的特点，具有很高的工程应用价值。
具体实施例方式本发明依次包括以下步骤步骤1、采集固体结构的实际外形和物理尺寸，建立流场计算模型；采集固体结构所处的流场的物理参数，对流场计算模型划分气动网格，得到每个气动网格节点的坐标和
5每个气动网格节点的气动力；步骤2、根据步骤1采集的固体结构的实际外形和物理尺寸，建立固体计算模型和整体坐标系；对固体计算模型划分固体结构单元和固体结构单元的节点，确定每个节点所属的固体结构单元，每个固体结构单元的节点在整体坐标系下的坐标；固体结构单元包括实体单元和板壳单元；步骤3、当固体结构单元为实体单元，判别固体结构单元的受力面，采集受力面的面积；当固体结构单元为板壳单元，采集受力面的面积；步骤4、按照有限元单元局部坐标的建立法则，在每个固体结构单元的中面上建立一个局部坐标系；步骤5、得到每个局部坐标系的方向余弦，建立整体坐标系和每个局部坐标系之间的转换矩阵；步骤6、得到气动网格节点到每个固体结构单元的距离；气动网格节点到每个固体结构单元的距离为气动网格压心节点到固体结构单元所属的节点的距离的平均值；得到离气动网格节点距离最近的固体结构单元；重复本步骤，找到每个气动网格节点所对应的离其距离最近的固体结构单元；步骤7、将每个气动网格节点的气动力乘以该气动网格节点所对应的固体结构单元的受力面的面积，得到集中力；步骤8、建立每个固体结构单元的等参单元，并确立等参单元的节点、确立固体结构单元的节点与该固体结构单元对应的等参单元的节点之间的对应关系，确立每个等参单元在自然坐标系下相应的位移形函数；步骤9、建立每个固体结构单元和其对应的等参单元的映射关系，得到映射关系的雅克比行列式；步骤10、建立自然坐标系下的等参单元的面积微元，将雅克比行列式乘以自然坐标系下的等参单元的面积微元，得到总体坐标系下的固体结构单元的面积微元；步骤11、令气动力在任意的虚位移上对固体结构做的功和节点力在任意的虚位移上对固体结构做的功相等，令虚位移和实际位移具有相同的位移形函数；当固体结构单元为板壳单元，令集中力作用在板壳单元对应的等参单元的中心， 将等参单元的位移形函数的转置矩阵乘以集中力列阵，得到等参单元的节点力，根据等参单元的节点和固体结构单元的节点的对应关系，得到局部坐标系下的与等参单元对应的板壳单元的节点力；当固体结构单元为实体单元，令集中力作用在实体单元对应的等参单元的中心， 将等参单元的位移形函数的转置矩阵乘以集中力列阵再乘以总体坐标系下的固体结构单元的面积微元，并对实体单元受力面的面积区域求积分，得到局部坐标系下的与等参单元对应的实体单元的节点力；步骤12、依据步骤5确定的局部坐标系和整体坐标系的转换矩阵，将步骤12得到的节点力转换到整体坐标系下，得到整体坐标系下的所有节点力；步骤13、将对应于同一个的固体结构单元的节点力叠加，得到每个固体结构单元的节点力。本发明适用于流固耦合的分析计算和结构静强度、动强度、振动和其他分析计算。
权利要求
1.一种流-固载荷的转换方法，依次包括以下步骤步骤1、采集固体结构的实际外形和物理尺寸，建立流场计算模型；采集固体结构所处的流场的物理参数，对流场计算模型划分气动网格，得到每个气动网格节点的坐标和每个气动网格节点的气动力；步骤2、根据步骤1采集的固体结构的实际外形和物理尺寸，建立固体计算模型和整体坐标系；对固体计算模型划分固体结构单元和固体结构单元的节点，确定每个节点所属的固体结构单元，每个固体结构单元的节点在整体坐标系下的坐标；所述固体结构单元包括实体单元和板壳单元；步骤3、当固体结构单元为实体单元，判别固体结构单元的受力面，采集受力面的面积； 当固体结构单元为板壳单元，采集受力面的面积；步骤4、在每个固体结构单元的中面上建立一个局部坐标系；步骤5、得到每个局部坐标系的方向余弦，建立整体坐标系和每个局部坐标系之间的转换矩阵；步骤6、得到气动网格节点到每个固体结构单元的距离；气动网格节点到每个固体结构单元的距离为气动网格压心节点到固体结构单元所属的节点的距离的平均值；得到离气动网格节点距离最近的固体结构单元；重复本步骤，找到每个气动网格节点所对应的离其距离最近的固体结构单元；步骤7、将每个气动网格节点的气动力乘以该气动网格节点所对应的固体结构单元的受力面的面积，得到集中力；步骤8、建立每个固体结构单元的等参单元，并确立等参单元的节点、确立固体结构单元的节点与该固体结构单元对应的等参单元的节点之间的对应关系，确立每个等参单元在自然坐标系下相应的位移形函数；步骤9、建立每个固体结构单元和其对应的等参单元的映射关系，得到映射关系的雅克比行列式；步骤10、建立自然坐标系下的等参单元的面积微元，将雅克比行列式乘以自然坐标系下的等参单元的面积微元，得到总体坐标系下的固体结构单元的面积微元；步骤11、利用最小势能原理，将集中力转化为局部坐标系下固体结构单元的节点力； 步骤12、依据步骤5确定的局部坐标系和整体坐标系的转换矩阵，将步骤11得到的节点力转换到整体坐标系下，得到整体坐标系下的所有节点力；步骤13、将对应于同一个的固体结构单元的节点力叠加，得到每个固体结构单元的节点力。
2.根据权利要求1所述的一种流-固载荷的转换方法，其特征在于所述步骤11包括令气动力在任意的虚位移上对固体结构做的功和节点力在任意的虚位移上对固体结构做的功相等，令虚位移和实际位移具有相同的位移形函数；当固体结构单元为板壳单元，令集中力作用在板壳单元对应的等参单元的中心，将等参单元的位移形函数的转置矩阵乘以集中力列阵，得到等参单元的节点力，根据等参单元的节点和固体结构单元的节点的对应关系，得到局部坐标系下的与等参单元对应的板壳单元的节点力；当固体结构单元为实体单元，令集中力作用在实体单元对应的等参单元的中心，将等参单元的位移形函数的转置矩阵乘以集中力列阵再乘以总体坐标系下的固体结构单元的面积微元，并对实体单元受力面的面积区域求积分，得到局部坐标系下的与等参单元对应的实体单元的节点力；
3.根据权利要求1所述的一种流-固载荷的转换方法，其特征在于所述步骤4在每个固体结构单元的中面上建立一个局部坐标系，是利用有限元单元局部坐标的建立法则进行建立的。
全文摘要
本发明涉及一种流-固载荷的转换方法，依次包括以下步骤1建立流场计算模型；2建立固体计算模型；3采集受力面的面积；4建立局部坐标系；5建立坐标系之间的转换矩阵；6得到气动网格节点所对应的固体结构单元；7得到集中力；8建立等参单元；9建立固体结构单元和其对应的等参单元的映射关系；10建立面积微元；11应用最小势能原理，得到局部坐标系下的所有节点力；12将节点力转换到整体坐标系下；13得到每个固体结构单元的节点力。本发明依据最小势能原理，能够很好地实现流-固载荷的转换，达到较高的精度，具有较高的实际应用价值。
文档编号G06F17/50GK102479269SQ20101056534
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者张皓, 惠俊鹏, 梁德利, 王建滨, 王骁峰, 陈岱梅, 马婷婷, 高庆 申请人:北京临近空间飞行器系统工程研究所