北航航空工程大型通用软件应用大作业.doc

航空工程大型通用软件应用大作业航空科学与工程学院航空工程大型通用软件应用大作业机翼结构设计与分析组 号第3组小组成员11051090 赵雅甜 11051093 廉 佳 11051100 王守财 11051108 刘 哲 11051135 张雄健 11051136 姜 南2014年6月 30航空工程大型通用软件应用大作业目 录一 CATIA部分1（一）作业要求1（二）作业报告11、三维模型图12、工程图2二 FLUENT部分3（一）作业要求3（二）作业报告31、计算方法和流程32、网格分布图43、气动力系数54、翼型表面压力曲线75、翼型周围压力云图76、翼型周围x方向速度云图87、翼型周围y方向速度云图88、翼型周围x方向速度矢量图99、翼型周围y方向速度矢量图1010、流线图10三 ANSYS部分11（一）作业要求11（二）作业报告111、机翼按第一强度理论计算的应力云图112、机翼按第二强度理论计算的应力云图123、机翼按第三强度理论计算的应力云图134、机翼按第四强度理论计算的应力云图135、机翼变形图146、由翼根到翼尖某一路径挠度变化规律157、由翼根到翼尖某一路径应力分布规律158、机翼前5阶固有振动频率169、机翼第1阶振动模态1610、机翼第2阶振动模态1711、机翼第3阶振动模态1712、机翼第4阶振动模态1813、机翼第5阶振动模态1814、命令流19四 MATLAB部分27（一）作业要求27（二）作业报告271、计算方法272、翼型外形压力系数分布图293、计算结果294、计算程序29航空工程大型通用软件应用大作业一 CATIA部分（一）作业要求1、用每组的翼型数据，生成翼型曲线；2、参考所给的机翼图例，使用参数化设计，参数为：翼根弦长=450mm、翼中弦长=270mm、翼尖弦长=150mm、内翼展长=525mm、外翼展长=850mm、内翼后掠角=10度、外翼后掠角=10度3、翼尖不要求倒圆，在零件设计中生成实心体机翼（不是曲面）；4、在工程图环境中生成三视图，并标注尺寸；5、上述三维模型和工程图分别截图插入word文档的Catia部分；最后提交作业时，part文件和word报告一起提交。6、生成的Catia实体机翼模型会在后续软件作业中使用。（二）作业报告1、三维模型图图1 三维模型图1图2 三维模型图22、工程图图3 工程图二 FLUENT部分（一）作业要求1、从Catia软件中输出igs文件，导入到Gambit软件中；2、用与机翼对称面相距Z的平面撕裂机翼表面生成计算所需的翼型曲线，其中翼型站位：Z=40%b，b为內翼展长；3、采用分区的四边形Map网格或者应用尺寸函数的非结构网格生成计算网格；4、计算条件：Ma=0.3，alpa=2deg，压力远场边界条件、SA湍流模型；5、计算结果提取内容：网格分布图、气动力系数、翼型表面压力曲线、翼型周围的压力云图和速度云图、翼型周围的速度矢量图和流线图。6、word报告：计算方法和流程、计算结果提取内容。（二）作业报告1、计算方法和流程（1）将igs文件导入至Gambit。（2）创建四个点（60,1500,0），（60，-1500,0），（1560, -1500,0），（1560,1500,0），并依次连接，生成右边的三条流场边界，左半边生成半圆边界。（3）将翼根平面沿z轴平移210mm的距离，用新生成的平面将原来机翼撕裂成两个实体，并将切割生成的平面投影到2中得到的平面上。（4）进行布尔运算，生成最终的流场计算边界，并删除多余的元素。（5）将计算区域划分为六部分，由于翼型前缘斜率变化比较大，划分线网格时分成50个点，比率1.1，后缘30个点，比率1.05，然后划分map面网格。设置边界条件：进口与出口为压力远场条件，上下翼面均为壁面条件。（6）导出mesh文件，并导入fluent，经过check之后体积没有负数，选择压力基求解器。（7）按照要求，选择S-A模型进行计算，计算的流体选择空气air，入口与出口选择压力远场条件，边界条件给定马赫数为0.3，温度为默认的300k，速度向量为（0.9994，0.0349）（2度迎角）。参考值选为入口条件，由于fluent二维模型默认的计算公式，其中的面积与长度均填为弦长0.408m，求解方法为coupled，其余保持默认值。（8）监控值为升力阻力系数，力矩系数（翼型前缘点不为原点，因此焦点位置为0.162m）。（9）迭代步数按照初始设定的200步计算，但是200步结束后并没有收敛，因此又进行了200步迭代，在又进行了大约70步处结果收敛。（10）生成需要的图像，并导出上下翼面的压力系数以供matlab计算。2、网格分布图图4 网格分布图1图5 网格分布图23、气动力系数表1 气动力系数表升力系数Cl阻力系数Cd力矩系数Cm0.234760.011818-0. 0064917图6 升力系数曲线图7 阻力系数曲线图8 力矩系数曲线图9 残差曲线4、翼型表面压力曲线图10 翼型表面压力曲线5、翼型周围压力云图图11 翼型周围压力云图6、翼型周围x方向速度云图图12 翼型周围x方向速度云图7、翼型周围y方向速度云图图13 翼型周围y方向速度云图8、翼型周围x方向速度矢量图图14 翼型周围x方向速度矢量图图15 翼型周围x方向速度矢量图局部特写1图16 翼型周围x方向速度矢量图局部特写29、翼型周围y方向速度矢量图图17 翼型周围y方向速度矢量图10、流线图图18 流线图三 ANSYS部分（一）作业要求1、将Catia模型导入Ansys生成实体模型；2、采用六面体网格（结构网格）划分计算模型；3、根据所提供参数和条件计算：计算机翼的全场应力和变形，并对机翼的强度进行校核，给出由翼根到翼尖任意路径上的应力和挠度分布规律；计算机翼的前5阶固有振动频率及其模态；其中，输入参数：机翼为各向同性线弹性材料，弹性模量70GPa，泊松比0.25，材料的拉伸强度为125MPa，压缩强度为100MPa；计算条件：翼根为固支边界条件，内翼上、下表面、外翼上、下表面分布承受0.2MPa、0.55MPa、0.25MPa、0.5MPa均布气动压力；4、提交结果：计算报告(要求图文并茂、图表)和命令流。（二）作业报告1、机翼按第一强度理论计算的应力云图图19 按第一强度理论计算的应力云图2、机翼按第二强度理论计算的应力云图图20 按第二强度理论计算的应力云图机翼按第二强度理论计算得最大压缩应力为60MPa，材料压缩强度为100MPa，故压缩不会使机翼发生破坏。3、机翼按第三强度理论计算的应力云图图21 按第三强度理论计算的应力云图4、机翼按第四强度理论计算的应力云图图22 按第四强度理论计算的应力云图机翼按第四强度理论计算得最大拉伸应力为400MPa，材料拉伸强度为125MPa，故会使机翼发生破坏。5、机翼变形图图23 机翼变形图6、由翼根到翼尖某一路径挠度变化规律图24 由翼根到翼尖某一路径挠度变化图像7、由翼根到翼尖某一路径应力分布规律图25 由翼根到翼尖某一路径应力分布图像8、机翼前5阶固有振动频率图26 机翼前5阶固有振动频率9、机翼第1阶振动模态图27 机翼第1阶振动模态10、机翼第2阶振动模态图28 机翼第2阶振动模态11、机翼第3阶振动模态图29 机翼第3阶振动模态12、机翼第4阶振动模态图30 机翼第4阶振动模态13、机翼第5阶振动模态图31 机翼第5阶振动模态14、命令流/BATCH ! /COM,ANSYS RELEASE 13.0 UP20101012 01:03:07 06/11/2014 /AUX15 !* IOPTN,IGES,SMOOTH IOPTN,MERGE,YES IOPTN,SOLID,YES IOPTN,SMALL,YES IOPTN,GTOLER, DEFA IGESIN,03 (2),igs,Desktop! APLOT !* !* /NOPR KEYW,PR_SET,1 KEYW,PR_STRUC,1 KEYW,PR_THERM,0 KEYW,PR_FLUID,0 KEYW,PR_ELMAG,0 KEYW,MAGNOD,0 KEYW,MAGEDG,0 KEYW,MAGHFE,0 KEYW,MAGELC,0 KEYW,PR_MULTI,0 KEYW,PR_CFD,0 /GO !* ! /COM, ! /COM,Preferences for GUI filtering have been set to display:! /COM, Structural !* FINISH /PREP7 !* ET,1,SOLID185 !* !* MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,70e9 MPDATA,PRXY,1,0.25 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,DENS,1,2700 NUMMRG,KP, , , ,LOW FLST,2,2,4 FITEM,2,5 FITEM,2,17 AL,P51X ! /USER, 1 ! /VIEW, 1, 0.436155361013 , 0.344559644612 , -0.831292458984! /ANG, 1, 78.9069179181 ! /REPLO FLST,2,2,4 FITEM,2,33 FITEM,2,45 AL,P51X FLST,2,6,5,ORDE,4 FITEM,2,1 FITEM,2,-2 FITEM,2,5 FITEM,2,-8 VA,P51X ! /VIEW, 1, -0.805668667585E-01, 0.723089780525 , 0.686039466271! /ANG, 1, -61.5296071762 ! /REPLO ESIZE,0.02,0, CM,_Y,VOLU VSEL, , , , 1 CM,_Y1,VOLU CHKMSH,VOLU CMSEL,S,_Y !* VSWEEP,_Y1 !* CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 !* FLST,2,1,5,ORDE,1 FITEM,2,1 !* /GO DA,P51X,ALL,FLST,2,1,5,ORDE,1 FITEM,2,5 /GO !* SFA,P51X,1,PRES,0.2e6 FLST,2,1,5,ORDE,1 FITEM,2,7 /GO !* SFA,P51X,1,PRES,250000 ! /VIEW, 1, 0.470394775010 , -0.577648486034 , 0.667121414906! /ANG, 1, -32.5022449130 ! /REPLO FLST,2,1,5,ORDE,1 FITEM,2,6 /GO !* SFA,P51X,1,PRES,550000 FLST,2,2,5,ORDE,2 FITEM,2,2 FITEM,2,8 /GO !* SFA,P51X,1,PRES,500000 ACEL,0,-9.8,0, FINISH /SOL! /STATUS,SOLUSOLVE FINISH /POST1 ! /VIEW, 1, 0.297838221537 , 0.804170079687 , 0.514395642213! /ANG, 1, -37.1104688809 ! /REPLO ! /DIST,1,1.08222638492,1 ! /REP,FAST ! /DIST,1,1.08222638492,1 ! /REP,FAST ! /VIEW, 1, 0.765557838213E-01, 0.889874912909 , 0.449735312533! /ANG, 1, -54.4177567953 ! /REPLO ! /FOC, 1, 0.299181316136 , -0.197255909226E-01, -0.595260868375! /REPLO !* ! /EFACET,1 ! PLNSOL, S,EQV, 0,1.0! /FOC, 1, 0.323746093772 , -0.266803282211E-01, -0.585681299412! /REPLO !* ! /EFACET,1 ! PLNSOL, S,1, 0,1.0 !* ! /EFACET,1 ! PLNSOL, S,2, 0,1.0 !* ! /EFACET,1 ! PLNSOL, S,3, 0,1.0 ! PLDISP,1! /VIEW, 1, 0.803815546946 , 0.540150382980 , 0.249235090337! /ANG, 1, -16.8240243831 ! /REPLO ! /REPLO ! /REPLO ! /FOC, 1, 0.247103440243 , 0.958038385707E-01, -0.603950448950! /REPLO ! /VIEW, 1, 0.978557330643 , 0.178020395540 , 0.103606415902! /ANG, 1, -12.0065834526 ! /REPLO ! /DIST,1,1.08222638492,1 ! /REP,FAST ! /DIST,1,0.924021086472,1! /REP,FAST ! /VIEW, 1, 0.986559186868 , 0.118030009085 , 0.113003928077! /ANG, 1, -11.9505586014 ! /REPLO ! EPLOT ! /VIEW, 1, 0.348292158016 , 0.844557115969 , 0.406713474734! /ANG, 1, -43.5030752541 ! /REPLO ! /DIST,1,0.729,1 ! /REP,FAST ! /DIST,1,0.729,1 ! /REP,FAST ! /DIST,1,0.729,1 ! /REP,FAST ! /VIEW, 1, 0.137218794208 , -0.503800886463 , 0.852851493119! /ANG, 1, -62.4492681573 ! /REPLO ! /VIEW, 1, 0.146735551129 , -0.625477246088 , 0.766320359028! /ANG, 1, -63.4260212006 ! /REPLO ! /VIEW, 1, 0.295119281512 , 0.251801463203 , 0.921683586058! /ANG, 1, -64.9148036699 ! /REPLO ! /VIEW, 1, -0.288588474173 , -0.308962890948 , 0.906233206516! /ANG, 1, -78.2259306233 ! /REPLO ! /AUTO,1 ! /REP,FAST ! /USER, 1 ! /VIEW, 1, -0.101281947002 , 0.866321360171 , 0.489110691075! /ANG, 1, -81.9681537727 ! /REPLO ! /DIST,1,0.729,1 ! /REP,FAST ! /DIST,1,0.729,1 ! /REP,FAST ! /FOC, 1, 0.284811041976 , -0.272815508141E-01, -0.570244909971! /REPLO ! /FOC, 1, 0.311198261237 , -0.771137434402E-01, -0.476517165566! /REPLO ! /FOC, 1, 0.346791684553 , -0.136201944994 , -0.364488654732! /REPLO ! /FOC, 1, 0.355630542883 , -0.153649654064 , -0.331754674211! /REPLO ! /FOC, 1, 0.391430690060 , -0.158616064192 , -0.315544814294! /REPLO ! /FOC, 1, 0.366123437801 , -0.815270890098E-01, -0.457326613141! /REPLO ! /FOC, 1, 0.346061652178 , -0.210844547837E-01, -0.568537925418! /REPLO ! /FOC, 1, 0.347308984618 , 0.254563453112E-01, -0.650713510039! /REPLO ! /FOC, 1, 0.357760804507 , 0.893631164331E-01, -0.761741997466! /REPLO ! /FOC, 1, 0.365520308767 , 0.137031050009 , -0.844565481172! /REPLO ! /FOC, 1, 0.363909308855 , 0.161091816784 , -0.887515925294! /REPLO FLST,2,11,1 FITEM,2,35 FITEM,2,1122FITEM,2,1218FITEM,2,1302FITEM,2,1055FITEM,2,647 FITEM,2,743 FITEM,2,839 FITEM,2,911 FITEM,2,983 FITEM,2,1043!* PATH,a,11,30,20,PPATH,P51X,1PATH,STAT !* AVPRIN,0, , !* PDEF, ,U,Y,AVG ! /PBC,PATH, ,0 !* ! PLPATH,UY AVPRIN,0, , !* PDEF, ,S,EQV,AVG! /PBC,PATH, ,0 !* ! PLPATH,SEQV FINISH /SOL!* ANTYPE,2!* !* MODOPT,LANB,5 EQSLV,SPAR MXPAND,5, , ,0 LUMPM,0 PSTRES,0!* MODOPT,LANB,5,0,0, ,OFF ! /STATUS,SOLUSOLVE FINISH /POST1 SET,LIST,999SET, , ,1 !* ! PLDI, , ANMODE,10,0.5, ,0 !* ! /DIST,1,1.37174211248,1 ! /REP,FAST ! /AUTO,1 ! /REP,FAST ! /AUTO,1 ! /REP,FAST ! /AUTO,1 ! /REP,FAST ! EPLOT ! /REPLOT,RESIZE ! /REPLOT,RESIZE SET,LIST,999SET, , ,1 !* ! PLDI, , ANMODE,10,0.5, ,0 !* ! /USER, 1 ! /FOC, 1, 0.251097495403 , 0.294845561075E-01, -0.625920965210! /REPLO ! /ANFILE,SAVE,1,avi,Desktop SET,LIST,999SET, , ,2 !* ! PLDI, , ANMODE,10,0.5, ,0 !* ! /VIEW, 1, 0.544297142627 , 0.634272890766 , 0.549034170673! /ANG, 1, -36.0111056830 ! /REPLO ! /VIEW, 1, 0.775542254517 , 0.384498205266 , 0.500694858777! /ANG, 1, -29.1842849964 ! /REPLO ! /FOC, 1, 0.214241717878 , 0.838409041164E-01, -0.610570516174! /REPLO ! /VIEW, 1, 0.875482106456 , 0.213234036613 , 0.433661534962! /ANG, 1, -27.2884203648 ! /REPLO !* ! PLDI, , ANMODE,10,0.5, ,0 !* ! /ANFILE,SAVE,2,avi,Desktop SET,LIST,999SET, , ,3 SET, , ,3 !* ! PLDI, , ANMODE,10,0.5, ,0 !* ! /ANFILE,SAVE,3,avi,Desktop SET,LIST,999SET, , ,4 !* ! PLDI, , ANMODE,10,0.5, ,0 !* ! /ANFILE,SAVE,4,avi,Desktop SET,LIST,999SET, , ,5 SET, , ,5 !* ! PLDI, , ANMODE,10,0.5, ,0 !* ! /ANFILE,SAVE,5,avi,Desktop ! SAVE, jiangnan00,db, ! SAVE, jiangnan00,db, ! LGWRITE,111,lgw,C:UserswfDesktop,COMMENT四 MATLAB部分（一）作业要求1、从Fluent计算结果中导出所需压力系数计算数据文件；2、然后利用Matlab编写程序，在三维空间绘制翼型外形压力系数分布图，计算整个翼型沿X方向的阻力、沿Y方向的升力、相对于1/4弦线长位置的俯仰力矩，按要求输出图形和计算结果；3、整理和提交报告：计算方法、计算程序、说明文档和图形。（二）作业报告1、计算原理和方法翼型选用NACA 642-015A，雷诺数Re=vc=1.176674*104.1263*0.4081.7894*10-5=2793633（1）求升力系数和阻力系数根据空气动力学知识可得：CN=01Cp下-Cp上dxCA=01Cp下-Cp上dy其中x=xcy=yc写成便于用Matlab计算的形式：CN=1cxminxmaxCp下dx-xminxmaxCp上dxCA=1cyminymaxCp下dy-yminymaxCp上dy其中xmin，xmax表示翼型前缘点、后缘点横坐标；ymin，ymax表示翼型形状纵坐标的最小值和最大值。考虑到xOy坐标系相对xOy逆时针转过了角度=2，故利用坐标旋转矩阵可求出y方向的升力系数和x方向的阻力系数：CyCx=cos-sinsincosCNCA（2）求力矩系数1/4弦点坐标为x0=0.75xmin+0.25xmaxy0=0C(xC, yC)为压心，即翼型气动力的作用点，其坐标为xC=01xCp下-Cp上dx01Cp下-Cp上dxyC=01yCp下-Cp上dy01Cp下-Cp上dy利用（1）中结论，并写成便于用Matlab计算的形式：xC=1cCNxminxmaxxCp下dx-xminxmaxxCp上dxyC=1cCAyminymaxyCp下dy-yminymaxyCp上dy令使翼型抬头的力矩为正，可得M=-N*xC-x0+A*yC-y0化为无量纲形式：CM=-CN*xC-x0+CA*yC-y0c（3）求气动参数由（2）已求出CL、CD和CM，于是L=CL*12V2cD=CD*12V2cM=CM*12V2c2（4）数值积分方法原始数据为翼型上给定点的压强系数CM=CM(x,y)，通过梯形法数值积分abfxdxb-a2fa+f(b)计算以上结果。2、翼型外形压力系数