Диссертация (1025494), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Подробное описание методик расчетапо евронормам можно найти в главе 12 монографии Бирбраера А.Н. [11].Таким образом, создание новых методов расчета аэроупругой динамикизданий и сооружений в потоке остается актуальной задачей. Например, в работеС.Д. Саленко [79] рассматривается задача аэроупругости для многобалочногосооружения типа консоли строящегося моста. Указывается, что для связанныхмногобалочных моделей возможны несколько мод аэроупругих колебаний,соответствующих разным «резонансным» скоростям ветра.
В диссертацииА.В. Агеева [1] разработана новая методика расчета мостов на изгибно-крутильныйфлаттер на основе нестационарной теории аэроупругой устойчивости и опытныхданных по аэродинамическим коэффициентам.Примеры современных методик, основанных на модели ветровой нагрузки,вычисляемой как сумма квазистатической и пульсационной составляющей длярасчета высотных сооружений приведен в работах [89, 98, 37, 7]. Квазистатическиеветровые нагрузки здесь используются в расчетах прочности, которые проводятсяметодом конечных элементов.В расчетах колебаний зданий и сооружений, вызванных воздействием ветрарассматриваются как правило низшие тона колебаний, которым соответствуютбалочные формы колебаний.
Однако для тонкостенных конструкций, например,различныхрезервуаров,низшиетонаколебаниймогутсоответствоватьоболочечным формам. Расчету аэроупругой динамики оболочечных конструкцийтакже посвящено достаточное количество работ, обзор которых можно найти вмонографиях М. Пайдуссиса [11] и М.А. Ильгамова [115].Колебания тонкостенного резервуара под действием ветра исследуются вработе D. Dooms и соавторов [114]. Проводится сравнение с экспериментальными37данными. Частота возбуждаемых колебаний совпадает с первой собственнойчастотой (4,5 Гц). Показано, что подобные резервуары могут начать совершатьаэроупругие колебания по оболочечной форме – «овалировать» из-за наличия«отрицательного» аэродинамического демпфирования.В силу сложности расчета обтекания ветром упругих конструкций напрактике большое внимание уделяется экспериментальным исследованиям вобласти промышленной аэродинамики.
В российских нормах [88] указано, чтоаэродинамические коэффициенты и числа Струхаля конструкций, форма и размерыкоторых не соответствуют расчетным схемам, приведенным в нормах, необходимоопределять на основе испытаний, проводимых на моделях в специализированныхаэродинамических трубах метеорологического типа.Проведение трубных экспериментов требует больших материальных затрати требует обеспечения подобия структуры течения в трубе турбулентной структурепогранслоя атмосферы (вертикальный градиент средней скорости ветра иэнергетическийспектрегопульсационнойсоставляющей).Особенностипроведения подобных экспериментов описаны в работах А.Б. Айрапетова,например [2].Таким образом, анализ литературы показывает, что в настоящее времясохраняется необходимость в надежных методах расчетов, позволяющихпредсказывать возникновение опасных аэродинамических явлений.
Созданиеданных методов актуально, поскольку позволит значительно сократить затратывремени и средств на этапах модельных испытаний.1.3. Обзор методов вычислительной гидродинамикиДля решения задач по сокращению времени вывода нового изделия на рыноки сокращении стоимости затрат в последнее время широкое распространениеполучили компьютерные технологии автоматизированного проектирования,виртуальной разработки и испытания изделий. Численные методы сыграли38значительную роль, дав толчок к формированию новой индустрии в сферевиртуальной разработки и проектировании ЛА. Это все стало возможнымблагодаря различным факторам: возросшей производительности вычислительныхкомплексов, доступностью по цене данных комплексов, прогрессом в разработкечисленных методов решения задач и т.д.Виртуальным испытаниям предшествует разработка в программномкомплексе CAD пространственной электронной геометрической модели изделия(РКН, стартовое сооружение, и т.д.) с заданными геометрическими идинамическими характеристиками.
На текущий день, не только в аэрокосмическойотрасли, но и в машиностроении, автомобилестроении и т.д. системыавтоматизированного проектирования стали стандартами де-факто при разработкеконструкций. В отечественной литературе для таких систем используетсяаббревиатура САПР, в зарубежной – CAD/CAE системы. Использованиесовременных CAD/CAE-систем не только сокращает срок внедрения новыхизделий, но и также оказывает значимое влияние на технологию производства, чтов свою очередь приводит к повышению качества и надежности продукции.Одними из лидеров на глобальном рынке коммерческих инструментовCAD/CAE являются компании MSC Software, ANSYS Inc, Siemens, Dassaultsystemes, PTC продукты которых широко используются в государственныхорганизациях и технологических компаниях в России.
В частности, основнымимодулями программного обеспечения MSC Software являются модуль Patran,которыйобеспечиваетинтеграциюсистемгеометрическогоиконечно-элементного моделирования, анализа и обработки результатов расчетов; модульNastran – система конечно-элементного анализа. С конца 60-х годов все большееприменение получил метод конечных элементов, как наиболее гибкий иуниверсальный [38, 61, 84]. Реализация данного метода заложена в Nastran длярешения различных задач механики, теплопроводности и т.д. Существуютпрограммныекомплексыисвободнораспространяемогопрограммного39обеспечения, решающие аналогичные задачи.
Одними из широко известных такназываемых сборок являются Calculix, Elmer, CodeAster.В модуле MSC Nastran есть возможность формирования файла MNF (ModalNeutral File), который содержит в себе информацию о координатах узлов конечноэлементной сетки, обобщенную матрицу масс и жесткости, собственные формыколебаний.
Данный файл является, по сути, интерфейсом для дальнейшегоиспользования в сторонних программных комплексах, в частности, в расчетединамики конструкции под действием внешней нагрузки в пакете Adams.Возможности интеграции с существующими коммерческими и открытымипакетами важно закладывать при создании новых методик расчетов, в частностиветровых нагрузок.В свою очередь, для исследования динамики среды в настоящее время бурноразвиваются методы вычислительной гидродинамики (Computational FluidDynamic - CFD). Обзор данных методов можно найти в диссертациях [1, 8].
Однакодалеко не все методы CFD позволяют эффективно решать связанные задачи FSI сподвижной границей взаимодействующих сред. Движение границы разделаприводит к необходимости либо отслеживать, либо улавливать ее положение накаждом шаге расчета и соответствующим образом перестраивать расчетную сетку.Современный уровень развития программно-математического обеспеченияпозволяет решать практические задачи FSI с подвижными и трансформируемымисетками. Одним из лидеров в области решения задач FSI является компания ANSYSInc, поддерживающая программные пакеты CFD Fluent и CFX, а также компанияSiemens, поддерживающая пакет Star-CD.
Указанные универсальные пакетыявляются стандартом де-факто в области вычислительной гидродинамикиблагодаря большому количеству работ по его верификации в ведущих научныхцентрах, в том числе и в ЦАГИ.Наряду с коммерческими пакетами, существует и свободное программноеобеспечение, которое позволяет создать программный стек на базе свободно40распространяемых программ. Примерами таких стеков являются Code Aster – CodeSaturn и Calculix – OpenFOAM. В экспериментальной версии OpenFOAM-extпоявилась возможность решения задачи аэрогидроупругости с помощьювстроенного решателя icoFsiFOAM, который позволяет численно моделироватьсилами OpenFOAM и гидродинамическую и механическую подсистемы.CFD-моделированиеэкспериментальныенеподменяетисследования.собой,Новаяа,наоборот,методологиядополняетпостановкиэкспериментальных исследований предполагает предварительный расчетныйанализ особенностей потока в рабочей части аэродинамической трубы с помощью«электронной аэродинамической трубы» [3, 4].
Предварительный расчет позволяетулучшить подобие условий эксперимента условиям натурной постановки задачи.Упомянутые программные комплексы, как на основе коммерческих пакетов,так и свободного программного обеспечения для решения задач обтеканияиспользуют метод конечных (контрольных) объемов (Finite Volumes Method, FVM,МКО) [78]. Метод состоит из нескольких основных этапов.
На начальном этапеформулируется закон сохранения для любого конечного объема. Далее длявыбранной расчетной области формируется сетка, в узлах которой будутрассчитываться параметры потока. Затем выбираются контрольные объемы, какправило, с центрами в узлах расчетной сетки и записывается дискретный аналогзакона сохранения, основывающийся на балансе всех потоков через границыконечногообъема.Использованиеданногосеточногометодатребуетсущественных вычислительных ресурсов даже для расчета установившегосятечения.
Несмотря на бурный рост производительности вычислительных машин,суперкомпьютеров, на текущий день отсутствует возможность для решенияуравнений Навье-Стокса, которые описывают поведение жидкости или газа,прямым численным методом (Direct Numerical Simulation, DNS) без каких-либоупрощений и осреднений. По оценкам [134] для проведения расчетов методом DNS(порядка 1016 узлов сетки) обтекания ЛА, потребуются огромные вычислительныересурсы, которые по самым оптимистичным оценкам (предполагая рост41производительности в 2 раза каждые 5 лет) появятся только к концу текущегостолетия.Например, перед проведением экспериментов в аэродинамических трубахдля ракеты SLS была построена база данных аэродинамических нагрузок методамиCFD (вычислительной гидродинамики) [109]. Верификация расчетов проводиласьна имеющихся экспериментальным данным данных по разработанным ранее РКН.В работе Махновича С.В. и Лисина И.С.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
