航天器燃料箱中的燃料晃動有可能會改變質(zhì)心。這將影響航天器精心計算的機動操作（其能夠精確指揮到特定地面位置的傳感器）。在航天器研發(fā)早期階段，空客工程師使用流固耦合仿真來評估一款提議的彈性膜能否最大限度減少燃料晃動對質(zhì)心的影響。

航天器的典型任務(wù)包括監(jiān)測天氣與環(huán)境，例如植被、大氣氣體、海洋條件和冰原的變化，以及開展地形測繪。空客國防和宇航部門是這一領(lǐng)域的公認領(lǐng)先者，其提供的完整解決方案能夠用于：提高安全性、提升農(nóng)業(yè)績效、最大限度提高油氣和采礦作業(yè)、改善自然資源管理、通過監(jiān)測森林砍伐和碳排放來保護環(huán)境。

姿態(tài)控制尤其重要，因為航天器往往要負責(zé)觀測地面上的特定固定點。為觀測不同位置或?qū)⑻炀€指向地面站以傳輸采集到的數(shù)據(jù)，航天器的姿態(tài)會經(jīng)常發(fā)生變化。姿態(tài)控制系統(tǒng)(ACS)通常依靠控制力矩陀螺儀和反作用輪，以及太陽能電池板提供的電力進行較小的姿態(tài)機動。在進行大型機動時，則使用需要推進劑的推進器。控制力矩陀螺儀和反作用輪使用的算法需要準(zhǔn)確知曉航天器的質(zhì)心。但當(dāng)航天器開始移動時，液體燃料會在燃料箱內(nèi)部晃動，改變質(zhì)心并對燃料箱的壁面產(chǎn)生作用力，以抵消控制力矩陀螺儀和反作用輪的作用。

航天器經(jīng)常使用補救措施來減輕晃動，從而使航天器能夠在允許的姿態(tài)窗口內(nèi)部受控。一種方法是使用物理障礙，例如擋板或隔艙來控制晃動。另一種方法是使用彈性膜將燃料箱隔離成兩個隔艙，一個裝滿燃料，另一個充滿壓縮空氣，從而抑制晃動。

航天器設(shè)計人員必須確定是否需要補救措施來滿足姿態(tài)控制規(guī)范，如果需要的話，還應(yīng)找到一種能夠以最低成本和重量代價滿足規(guī)范的方法。物理試驗幾乎不可能測量失重狀態(tài)下的晃動，而且成本極為高昂。空客工程師決定在設(shè)計周期早期階段使用仿真來評估彈性膜的性能，因為盡早進行設(shè)計修改比后期修改的成本更低一些。

因為燃料箱中液體燃料與薄膜的復(fù)雜相互作用，在彈性膜的影響下進行晃動建模相當(dāng)復(fù)雜。空客工程師之前從未對這些相互作用進行建模，而且搜索文獻后也未能找到可用作指導(dǎo)的任何出版資料。因此工程師決定利用ANSYS Workbench環(huán)境中所集成的ANSYS多物理場工具，以開展流固耦合(FSI)仿真，并分析這款推薦的薄膜的行為。

航天器設(shè)計研究

空客工程師需要開展設(shè)計研究，以計算彈性膜對正在研發(fā)中的航天器的影響。工程師被要求估算，當(dāng)航天器進行幾種定義機動時質(zhì)心的變化以及燃料對燃料箱壁面施加的作用力。這需要同時求解液體燃料對薄膜的作用以及薄膜對液體的影響。開展FSI仿真的最大障礙是：仿真流體的計算流體動力學(xué)(CFD)軟件和仿真彈性膜的有限元分析(FEA)軟件通常由不同供應(yīng)商提供，它們不能協(xié)同工作。用戶必須找到一種集成上述工具的方法。這可能涉及編寫和驗證腳本，以及每次仿真時手動在CFD和FEA軟件套件之間傳遞數(shù)據(jù)。在仿真過程中進行手動干預(yù)非常耗時，造成仿真工作流程變得復(fù)雜，而且還可能降低整體仿真的精度。

FSI仿真過程中使用的典型平移情況

機械變形過程中彈性膜的中點位移

ANSYS軟件能夠提供FSI仿真所需的完整物理場，其包括在ANSYS Workbench環(huán)境中集成的CFD和FEA求解器，從而解決了上述難題。通過簡單的拖放操作，一個軟件套件的輸出能作為輸入信息耦合到下一個軟件套件中，因此無需進行手動數(shù)據(jù)傳遞。在本案例中，空客工程師將彈性膜建模為偏離燃料箱下方的固體，同時在燃料箱下方壁面上創(chuàng)建了一個流體出口。借助ANSYS Fluent和ANSYS Mechanical之間獨特的集成功能，工程師能夠使用燃料箱壁面的固體部分約束流體域模型和各表面，從而定義ANSYS Mechanical固體單元。此外，燃料箱壁面也包含在ANSYS Mechanical模型中，用于施加與彈性膜的接觸。為減少計算量，整個模型只有一個單元厚，因此它實際上是一個2-D仿真。

工程師通過將一個軟件的輸出拖放到另一個軟件的輸入信息中，從而把流體軟件和結(jié)構(gòu)軟件無縫鏈接。

燃料箱的填充本來可使用FSI仿真，但空客工程師采用了一種更簡單、計算量更少的方法，即通過施加機械壓力而非流體壓力，以致彈性膜向燃料箱上方產(chǎn)生變形。然后將變形后的形狀應(yīng)用到流體模型。添加質(zhì)量流出口后，燃料箱就可以排空到所需的充裝系數(shù)，同時使彈性膜中的流體壓力與應(yīng)力保持平衡。工程師使用流速配置來逐步排空燃料箱以避免產(chǎn)生壓力波動。

燃料箱排空到局部水平后彈性膜的穩(wěn)定位置

開展流固耦合仿真

在確定彈性膜的形狀及相關(guān)應(yīng)力場后，工程師就對燃料箱施加了指定的平移配置。每個配置由一個加速度時程構(gòu)成，其代表一個典型的航天器機動。在瞬態(tài)FSI仿真中的每一個時步，ANSYS Fluent會計算流體反作用力。這些力值由ANSYS Workbench無縫傳遞給ANSYS Mechanical求解器，以加載彈性膜。ANSYS Mechanical然后計算彈性膜的撓曲。更新后的彈性膜形狀被傳遞回ANSYS Fluent，由ANSYS Fluent用于為下一個仿真時步確立流域。仿真結(jié)果包括每個時步中的燃料箱質(zhì)心以及流體作用在燃料箱壁面上的力和扭矩。

FSI結(jié)果

空客工程師在設(shè)計流程早期階段使用FSI仿真，為受到典型航天器機動影響的彈性膜行為建模。此外，他們還使用仿真來評估其他的晃動補救方法，例如擋板或隔間。最終目的是確定哪一種解決方案更適合燃料箱設(shè)計。

在ANSYS軟件的幫助下，空客工程師研發(fā)出一項新的功能：他們現(xiàn)在能夠?qū)Π◤椥阅さ娜剂舷溲b置進行仿真。在有可能對最終產(chǎn)品的性能、成本和研制周期產(chǎn)生顯著影響的設(shè)計階段，空客工程師利用FSI和其他多物理場仿真制定更加明智的設(shè)計決策。

來源：安世亞太