SHARPy 简介¶
SHARPy 是什么¶
SHARPy 是一个模块化的非线性气动弹性仿真框架，主要用于大展弦比飞行器与风力机。它由两部分组成：
- 结构端：几何精确梁模型（Geometrically-Exact Beam Model, GEBM），支持几何非线性大变形，采用 Timoshenko 梁理论描述复合材料截面。
- 气动端：非定常涡格法（Unsteady Vortex Lattice Method, UVLM），基于势流理论建模升力面，支持自由尾迹和预定尾迹。
两部分通过紧耦合或松耦合迭代求解，得到结构变形和气动力的耦合响应。
SHARPy 适合解决什么问题¶
SHARPy 常用于这些场景：
- 大展弦比柔性飞行器：翼展远大于弦长，结构变形明显，线性假设不再够用。
- 风力机叶片：复合材料叶片的大变形与旋转效应，包括转子-塔架多体动力学。
- 气动弹性稳定性分析：颤振速度预测、模态耦合分析。
- 阵风响应与机动载荷：LES 大气湍流输入、PID 边界条件控制（如弹射起飞）。
- 模型降阶：用 Krylov 子空间法给气动弹性系统降阶，便于参数扫描和实时仿真。
SHARPy 的架构层次¶
SHARPy 按求解器和后处理器拼装流程，常见组件如下：
| 组件 | 作用 | 相关概念 |
|---|---|---|
| BeamLoader | 加载梁结构模型 | .fem.h5 文件：节点坐标、单元连接关系、刚度数据库、质量数据库、边界条件 |
| AerogridLoader | 加载气动面模型 | .aero.h5 文件：弦长分布、扭转角、翼型数据、弹性轴位置、面板划分数 |
| Solver（求解器） | 执行物理计算 | NonLinearStatic、StaticUvlm、StaticCoupled、DynamicCoupled 等 |
| Post-processor（后处理） | 结果输出与可视化 | BeamLoads、BeamPlot、AerogridPlot、SaveData 等 |
一个典型的 SHARPy 算例由 .sharpy 配置文件串联这些组件，形成求解 flow。
SHARPy 与其它软件的关系¶
| 工具 | 特点 | 与 SHARPy 的差异 |
|---|---|---|
| 通用 FEM（Abaqus / ANSYS / Nastran） | 支持各类结构、成熟商业生态 | SHARPy 专注于非线性梁 + UVLM 的特定组合，开源、可编程 |
| CFD（Fluent / OpenFOAM） | 高保真气动力，适合复杂分离流 | UVLM 是势流方法，不求解 N-S 方程，计算成本远低于 CFD |
| OpenAeroStruct | 基于 OpenMDAO 的低保真气动弹性框架 | SHARPy 支持几何非线性结构、自由尾迹、动态失速修正 |
| NASTRAN 气动弹性模块 | Doublet Lattice Method + 线性结构 | SHARPy 的 UVLM + GEBM 在非线性结构和非定常尾迹方面能力更强 |
与本站实践案例相关的 SHARPy 能力¶
在本案例实践中，我们主要用到了 SHARPy 的以下能力：
- 非线性静态结构求解（
NonLinearStatic）：计算悬臂梁在集中力、分布力、仅重力等工况下的稳态变形。 - 静态气动弹性耦合（
StaticCoupled）：NonLinearStatic+StaticUvlm耦合迭代，计算给定迎角和空速下的机翼平衡变形和气动力分布。 - 动态气动弹性耦合（
DynamicCoupled）：NonLinearDynamic+StepUvlm耦合推进，模拟翼尖周期力激励下的时域响应。
更多细节见 SHARPy 官方 capabilities 页面。