使用工具 : Simcenter STAR-CCM+

前言

STAR-CCM+ 很早就加入了結構與流場的耦合分析，當然，這個基礎是以流體的觀念進行的分析，跟其他軟件以結構為主伴隨著進行流場耦合還是有些不同的，因此其限制相對較高，目前僅以小變形量分析為主。圖 1 顯示的是熱應變的狀況，也就是受溫度場的變化，給予拘束在外部高溫流場的流動下對壁面的熱傳造成的變形，當然也可以因此而求出應力應變的結果。甚至我們可以不算流場直接計算鋼樑或是平板等應力分析，也就是簡單的拘束與外力的線性分析(無法進行非線性大變形量或是碰撞分析)，至於是內流場或是外流場並沒有限制。

圖 1 熱應力變形

翼型設計

STAR-CCM+ 本身提供了簡單的 CAD 建模功能，可以直接讀入翼型的曲線後進行分析，當然也可以直接讀入其他 CAD 生成的標準 step、x_t、stl...，我們已經介紹過可以建立虛擬的實驗室，屆時僅需要利用取代的方式變更圖檔，然後其餘的網格生成及資料結果的擷取都可以再第一次建立時完成，無須重複進行。

圖 2 簡易的 CAD 建模功能
 

翼型流場分析

圖 3 我們採用相同的中間翼型，而變更外側的尺寸及微調攻角，可以看出基本上對升阻力相對影響不大，但減少相對多的材料，且從馬赫數可以看出來中間剖面的流場差異相對較大。

圖 3 兩種翼型的比較

圖 4 中見面的馬赫數雲圖

結構變形分析

採用結構分析時因為中間需要給予一個拘束，所以我們採用對稱分析，在無外力的情況下，發現變形量其實相對很小，基本上看不出來，所以我們試著給予一個外部負荷，不過此外部負荷造成的變形其實是一個震盪的結果也就是在外側的尾端會上下震盪。在圖 6 中可以看到外側的截面流場後端會有分叉的現象。我們試著在加大負荷測試結果，如圖 7，翼展長度大概是 5 米左右，最大的變形量已經超過 0.4 米，基本上已經不算是小變形量的分析，而 STAR-CCM+ 並沒有出現網格錯誤的現象並能繼續分析計算，在整個運用上其實有相當大的彈性，也就是對問題的分析及解析可以有更廣泛的使用。

圖 5 初步分析

圖 6 截面流場雲圖

圖 7 加大負荷

自由度計算

另外若打開自由度的計算，我們可以得到升力造成的物件上浮現在，此分析不採用重疊網格，造成整個翼型含外流場都同時因為升力進行移動，我們可以得到移動的加速度及速度向量。

圖 8 自由度計算
 

結論

結構分析僅是一例，我們仍舊可以針對飛機高音速高壓縮流場進行分析應用，是否會因為變形過大造成失速的確認這部分可以討論，而STAR-CCM+ 提供的模組非常多，結果重疊網格我們甚至可以分析戰鬥機的飛彈發射產生的流場對機體本身的影響，採用 CFD 數值計算的最大優勢是可以獲取非常多實驗無法得到的結果，實驗可以得到的結果是為了印證分析的評估性，且分析可以計算真正實體尺寸的外型，而非以無因次化的縮小結果，這點也是分析上的重要成果。
 

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