《Aerospace》：Numerical Simulation Method for Fluid–Structure Interaction of Deformable Structures Based on Multibody Dynamics
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随着变体飞行器的发展，理解由刚性和柔性部件组成的多体系统的流固耦合（FSI）机制变得越来越重要。此类系统在流场中的耦合运动和变形引发了复杂的非线性流固耦合问题。在此，研究人员提出了一种流体-多体-结构相互作用框架，该框架耦合了有限体积Navier-Stokes
随着变体飞行器的发展，理解由刚性和柔性部件组成的多体系统的流固耦合（FSI）机制变得越来越重要。此类系统在流场中的耦合运动和变形引发了复杂的非线性流固耦合问题。在此，研究人员提出了一种流体-多体-结构相互作用框架，该框架耦合了有限体积Navier-Stokes（N-S）求解器、多体动力学求解器以及用于流固数据传递的径向基函数（RBF）插值。该框架通过一个基准算例进行了验证，并随后应用于两段柔性梁和三维连续变后掠机翼的模拟。结果表明，铰链和结构柔性的存在显著影响了流固耦合响应：铰链位置显著改变了多体柔性梁系统的流固耦合特性，而连续变后掠过程中后掠角的增加降低了气动力系数，结构柔性则引起了气动载荷的持续波动。该框架的一个关键贡献是能够同时捕获主动变形运动和被动气动弹性变形。与基于无粘、不可压缩气动模型的方法相比，本高保真流场求解器能够更好地解析变形过程中的复杂流动现象。该框架为研究变体飞行器的流固耦合机制提供了有用的数值工具。其目前的局限性包括全局径向基函数插值对大型多体系统的计算成本较高，以及其适用性仅限于低马赫数流动。
研究背景：变体飞行器通过改变形状适应不同飞行条件，其机翼由多体系统（刚性/柔性部件通过铰链连接）构成，流固耦合（FSI）问题复杂。现有方法要么忽略铰链运动（单柔性体方法），要么忽略柔性（多刚体方法），或采用无粘模型（如涡格法UVLM）无法处理粘性分离。因此需要高保真数值框架。研究人员提出耦合有限体积Navier-Stokes（N-S）求解器、MBDyn多体动力学求解器和径向基函数（RBF）插值的框架，采用紧耦合策略。通过基准算例（Turek和Hron的柔性梁）验证精度，随后应用于两段铰接柔性梁（研究铰链位置参数φ的影响）和三维连续变后掠机翼。结论：铰链位置显著影响FSI响应，φ=0.625时振幅最大，φ=0.375时振幅最小；连续变后掠时后掠角增加降低气动力系数，柔性引起波动。论文发表在《Aerospace》。
关键技术方法（不超过250字）：采用有限体积法求解三维可压缩Navier-Stokes（N-S）方程，使用 - 湍流模型模拟湍流效应；使用MBDyn（版本1.7.3）求解多体动力学，基于牛顿-欧拉方程和拉格朗日乘子处理约束，采用隐式A/L稳定线性多步积分；采用径向基函数（RBF）插值（薄板样条TPS或高斯核函数）进行流固界面位移和力映射；采用紧耦合迭代策略，每个时间步内迭代至收敛。
研究结果：
- 4. The Unsteady Flow of a Cylinder with Flexible Multibody Beams：通过构建两段铰接柔性梁模型，研究铰链位置对FSI的影响。在4.1节中，比较不同φ值（铰链位置参数）下点A的位移，发现φ=0.625时振幅最大，φ=0.375时振幅最小，且φ接近0.5时为敏感区域。进一步分析φ=0.625和0.375时的涡结构，揭示了不同的运动模式：当φ=0.625时，涡首先作用于beam1，导致较小振幅；当φ=0.375时，涡直接作用于beam2，产生较大振幅。结构频率分析表明，φ=0.5时周期最长，φ=0.625时频率最快。
- 5. Numerical Simulation of Fluid–Structure Interaction of a Continuously Morphing Swept Wing：将框架应用于三维连续变后掠机翼模型。5.1 Model Description：描述了由机身、内翼段（刚性）和外翼段（柔性）组成的模型，采用旋转变后掠设计，内翼段旋转实现后掠角变化，外翼段为柔性结构。5.2 Computational Results：模拟后掠角从0°到50°均匀变化（2.5s），结果显示随着后掠角增加，升力系数、升阻比和俯仰力矩系数均降低；由于外翼段柔性，气动载荷引起持续振动，翼尖最大位移0.053m；压力系数分布显示后掠角增加导致上表面低压区范围和强度减小，下表面高压区减小，表明有效弯度和升力能力降低。
讨论部分（第7节 Scope and Limitations）：当前框架使用全局RBF插值，对于大节点多体系统计算成本高，未来需研究紧支撑插值函数和自适应局部支撑域以改善非均匀网格精度。此外，动态网格变形方法限制了复杂变形的应用，耦合浸入边界法是重要发展方向。
研究结论（第6节 Conclusions）：(1) 基准FSI模型数值结果与参考数据吻合良好，证明框架精度。(2) 铰链位置对多体柔性梁系统FSI特性有显著影响；通过涡结构分析，结构运动模式与首先受上游涡影响的梁段有关；φ=0.625时振幅最大，φ=0.375时振幅最小。(3) 三维连续变后掠机翼模拟显示后掠角增加导致气动力系数降低；气动载荷引起柔性翼持续振荡，翼尖振幅0.053m，尽管后掠角变化率恒定，气动载荷仍激发结构振动，产生时变气动响应。(4) 该方法为刚柔耦合多体变体飞行器的高保真数值模拟提供了有效工具，未来将扩展至高效局部RBF方案和浸入边界耦合。
