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1 前言
随着科学发展与工程技术的应用，流固耦合研究从20 世纪80 年代以来，广泛受到了世界学术界的注意，是流体力学与固体力学交叉而生成的一门独立的力学分支，它的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场影响.流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用(fluid－solid interaction) ：固体在流体动载荷作用下会产生变形或运动, 而固体的变形或运动又反过来影响流场,从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。随着计算机的发展和计算流体力学的进步，计算机求解流固耦合问题成为现实。越来越多的应用软件具有这样的分析功能。在国民经济的各个部门，流固耦合分析都能解决很多实际问题。尤其是在航空航天领域，流固耦合对航天器的气动弹性和结构强度的设计有重要意义。另外，复合材料由于它初中的力学性能，在国民经济各领域中的而应用正在得到推广，在各种壳体上的应用很普遍。
2 计算及分析
2.1 计算模型及网格
本文采理想气体模型和国际标准的气体性质（如表1），使用k-ε湍流模型进行数值模拟。来流速度为1000m/s ，气温为288.15K ，海拔高度为0km。不考虑热传导，分析类型为稳态分析。
在流体计算中，适当地借助人工粘性系数、惯性松弛和设置自由度变量的限值等手段来提高迭代的稳定性和收敛性。其中人工粘性采用随载荷步递减的方式。流场计算模型采用正六面体网格，锥壳及后面弹体附近流场网格加密以满足解算精度。网格化分及尺寸如图1。
表1 国际标准大气简表
图1 锥壳几何形状（m）
锥壳外形形线为尖拱形，如图2，材料选用GFRP(E-玻璃纤维/环氧树脂)，铺层角方式为[0 /±45]s每层厚度均为0.00125m。对锥壳进行网格划分，其网格和流场网格对应，两者有公共节点。锥壳模型如图3。
图2 流场网格划分（取一半）及流场尺寸（m）
图3 锥壳网格划分
2.2 流体场分析
2.2.1 攻角为零的情况
对锥壳周围流场进行迭代运算，得到流场的压力分布和沿锥壳表面一半轮廓线的压力分布曲线如图5，由图可以明显的看到由于气流流过锥壳尖时通路收缩，在尖端处产生激波，激波后气流减速增压，根据曲线可以看到，锥壳表面压强先增大后减小，在略微稳定一段距离后继续减小为负值。最大压强在中间靠近锥壳顶点的位置而不在锥壳顶点，值为98123Pa ，锥壳后部由于通路扩张，产生一系列膨胀波，气流不断增速减压，在锥壳根部附近产生了局部的负压区。
图4 压力分布云图
图5 锥壳表面的压力分布
2.2.2 小攻角的影响
当锥壳的速度不变，仍为1000m/s，攻角不为零时，锥壳表面的气动压力分布也发生了变化。本文分别计算了攻角分别为0°和9°的情况下，锥壳的表面压力沿XY坐标平面内的锥壳轮廓线的压力分布图，如图6和图7所示。
图6 攻角为0° 图7 攻角为9°
由压力图比较可知：随着攻角的增大，锥壳下端的压力整体上不断增大，从攻角从0°增加到9°的过程最大压力增大了一倍。上端气压整体减小；压力最大的区域位置变化很小，都在锥壳中部靠近尖端的位置。
2.3 结构场分析
2.3.1 应力及位移分析
以攻角为零的情况为例进行分析。在流场计算完毕后，将结构受到的气动力加在锥壳表面，对锥壳边缘进行进行固支约束如图8所示。经过计算得到结构场的运算结果：在没有攻角时，锥壳的位移矢量云图如图9所示，最大位移显然在锥壳尖端，值为0.461×e-4 m，说明此复合材料锥壳在气动力作用下变形很小；在攻角为9°时，锥壳的位移矢量云图如图10所示，最大位移显然也在锥壳尖端，值为0.004608m，比没有攻角时增加了近100倍。
图8 壳的气动载荷和约束图
图9 锥壳无攻角的位移云图 图10 锥壳攻角为9°的位移云图
对锥壳上的应力进行计算，绘出XY 平面内沿从尖端到根部的上方的轮廓线上的应力的分布曲线，由X、Y、Z 三个轴向的应力分布曲线可以看出：Z 方向的应力最大值和最小值的绝对值最大，占主导地位，这也就说明锥壳环向的应力占主导；X 方向的应力次之，在锥壳接近根部的一个位置应力绝对值最大，此时环向应力也出现最大值；Y 方向应力和X、Y 方向应力相比小的多，变化也不大，这也就说明：沿壁厚方向应力较小。
图11 锥壳三个轴向的应力曲线 图12 锥壳的三个剪切应力曲线
对剪应力曲线进行分析，由图12、13可以看出：XY 方向的剪应力占绝对主导地位，也就是说壁沿厚方向的剪切应力还占主导。YZ 和ZY 方向的剪应力的绝对值相对要小的多；XY方向的剪应力呈类似抛物线分布，绝对值最大处在锥壳中间位置。
由上面分析预测，在锥壳最容易最先开始破坏的地方在锥壳靠近根部的位置和锥壳离尖端约1/3总长处。锥壳尖端的局部应力应变是很小的。
图13 锥壳第XZ、YZ剪应力曲线
2.3.2 稳定性分析
由于锥壳的细长比较大，为了检验结构的稳定性，对结构进行进行特征值法稳定性分析。特征值法是经典的欧拉分析，它可以计算结构在给定载荷和约束下的各个特征值。可以预测理想弹性结构的理论屈曲强度。
图14 攻角为0°时的一阶失稳模态图 图15 攻角为9°时的一阶失稳模态图
计算结果得到在气动载荷作用下，当攻角为0°时，一阶失稳模态的计算结果TIME/FREQ=79.796>1, 所以结构不失稳。锥壳的一阶失稳模态如图14，由图可以看出，锥壳的失稳最先是以锥壳中部凹陷的形式发生的。
当锥壳有攻角时，气动压力分布发生变化造成了锥壳稳定性的变化。为进行比较，本文计算了当攻角为9°的情况。得到一阶失稳模态的计算结果TIME/FREQ=41.010>1, 结构不失稳。锥壳的一阶失稳模态如图15，由图可以看出，锥壳的失稳最先是以锥壳上方靠近根部的部位皱曲的形式发生。与零攻角相比，更容易失稳。
3 结论
（1）随攻角的增大，锥壳下方压力整体增大，而上方整体减小。锥壳的变形急剧增大。
（2）锥壳的环向的应力占主导，轴向的应力次之，沿壁厚方向应力很小。最容易发生破坏的位置在接近根部的环形区域。壁沿厚方向的剪切应力还占主导。其他方向剪应力很小。
（3）在无攻角的情况下，锥壳失稳形式为两侧凹陷；在有攻角的情况下，锥壳试问形式为表面皱曲。
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