流固耦合仿真在航天器设计中的应用

导读

航天器燃料箱中的燃料晃动有可能会改变质心。这将影响航天器精心计算的机动操作（其能够精确指挥到特定地面位置的传感器）。在航天器研发早期阶段，空客工程师使用流固耦合仿真来评估一款提议的弹性膜能否最大限度减少燃料晃动对质心的影响。

航天器的典型任务包括监测天气与环境，例如植被、大气气体、海洋条件和冰原的变化，以及开展地形测绘。空客国防和宇航部门是这一领域的公认领先者，其提供的完整解决方案能够用于：提高安全性、提升农业绩效、最大限度提高油气和采矿作业、改善自然资源管理、通过监测森林砍伐和碳排放来保护环境。

姿态控制尤其重要，因为航天器往往要负责观测地面上的特定固定点。为观测不同位置或将天线指向地面站以传输采集到的数据，航天器的姿态会经常发生变化。姿态控制系统(ACS)通常依靠控制力矩陀螺仪和反作用轮，以及太阳能电池板提供的电力进行较小的姿态机动。

在进行大型机动时，则使用需要推进剂的推进器。控制力矩陀螺仪和反作用轮使用的算法需要准确知晓航天器的质心。但当航天器开始移动时，液体燃料会在燃料箱内部晃动，改变质心并对燃料箱的壁面产生作用力，以抵消控制力矩陀螺仪和反作用轮的作用。

航天器经常使用补救措施来减轻晃动，从而使航天器能够在允许的姿态窗口内部受控。一种方法是使用物理障碍，例如挡板或隔舱来控制晃动。另一种方法是使用弹性膜将燃料箱隔离成两个隔舱，一个装满燃料，另一个充满压缩空气，从而抑制晃动。

航天器设计人员必须确定是否需要补救措施来满足姿态控制规范，如果需要的话，还应找到一种能够以最低成本和重量代价满足规范的方法。物理试验几乎不可能测量失重状态下的晃动，而且成本极为高昂。空客工程师决定在设计周期早期阶段使用仿真来评估弹性膜的性能，因为尽早进行设计修改比后期修改的成本更低一些。

因为燃料箱中液体燃料与薄膜的复杂相互作用，在弹性膜的影响下进行晃动建模相当复杂。空客工程师之前从未对这些相互作用进行建模，而且搜索文献后也未能找到可用作指导的任何出版资料。因此工程师决定利用ANSYS Workbench环境中所集成的ANSYS多物理场工具，以开展流固耦合(FSI)仿真，并分析这款推荐的薄膜的行为。

航天器设计研究

空客工程师需要开展设计研究，以计算弹性膜对正在研发中的航天器的影响。工程师被要求估算，当航天器进行几种定义机动时质心的变化以及燃料对燃料箱壁面施加的作用力。这需要同时求解液体燃料对薄膜的作用以及薄膜对液体的影响。

开展FSI仿真的最大障碍是：仿真流体的计算流体动力学(CFD)软件和仿真弹性膜的有限元分析(FEA)软件通常由不同供应商提供，它们不能协同工作。用户必须找到一种集成上述工具的方法。这可能涉及编写和验证脚本，以及每次仿真时手动在CFD和FEA软件套件之间传递数据。在仿真过程中进行手动干预非常耗时，造成仿真工作流程变得复杂，而且还可能降低整体仿真的精度。

FSI仿真过程中使用的典型平移情况

机械变形过程中弹性膜的中点位移

ANSYS软件能够提供FSI仿真所需的完整物理场，其包括在ANSYS Workbench环境中集成的CFD和FEA求解器，从而解决了上述难题。通过简单的拖放操作，一个软件套件的输出能作为输入信息耦合到下一个软件套件中，因此无需进行手动数据传递。

在本案例中，空客工程师将弹性膜建模为偏离燃料箱下方的固体，同时在燃料箱下方壁面上创建了一个流体出口。借助ANSYS Fluent和ANSYS Mechanical之间独特的集成功能，工程师能够使用燃料箱壁面的固体部分约束流体域模型和各表面，从而定义ANSYS Mechanical固体单元。

此外，燃料箱壁面也包含在ANSYS Mechanical模型中，用于施加与弹性膜的接触。为减少计算量，整个模型只有一个单元厚，因此它实际上是一个2-D仿真。

工程师通过将一个软件的输出拖放到另一个软件的输入信息中，从而把流体软件和结构软件无缝链接。

燃料箱的填充本来可使用FSI仿真，但空客工程师采用了一种更简单、计算量更少的方法，即通过施加机械压力而非流体压力，以致弹性膜向燃料箱上方产生变形。然后将变形后的形状应用到流体模型。添加质量流出口后，燃料箱就可以排空到所需的充装系数，同时使弹性膜中的流体压力与应力保持平衡。工程师使用流速配置来逐步排空燃料箱以避免产生压力波动。

燃料箱排空到局部水平后弹性膜的稳定位置

开展流固耦合仿真

在确定弹性膜的形状及相关应力场后，工程师就对燃料箱施加了指定的平移配置。每个配置由一个加速度时程构成，其代表一个典型的航天器机动。

在瞬态FSI仿真中的每一个时步，ANSYS Fluent会计算流体反作用力。这些力值由ANSYS Workbench无缝传递给ANSYS Mechanical求解器，以加载弹性膜。ANSYS Mechanical然后计算弹性膜的挠曲。

更新后的弹性膜形状被传递回ANSYS Fluent，由ANSYS Fluent用于为下一个仿真时步确立流域。仿真结果包括每个时步中的燃料箱质心以及流体作用在燃料箱壁面上的力和扭矩。

FSI结果

空客工程师在设计流程早期阶段使用FSI仿真，为受到典型航天器机动影响的弹性膜行为建模。此外，他们还使用仿真来评估其他的晃动补救方法，例如挡板或隔间。最终目的是确定哪一种解决方案更适合燃料箱设计。

在ANSYS软件的帮助下，空客工程师研发出一项新的功能：他们现在能够对包括弹性膜的燃料箱装置进行仿真。在有可能对最终产品的性能、成本和研制周期产生显著影响的设计阶段，空客工程师利用FSI和其他多物理场仿真制定更加明智的设计决策。