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          ANSYS在飛機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

          作者: 時(shí)間:2011-02-15 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          飛機(jī)一般由機(jī)翼、機(jī)身、起落架和飛機(jī)操作系統(tǒng)組成,其結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,用以往的經(jīng)典工程分析進(jìn)行應(yīng)力分析已滿足不了現(xiàn)代飛機(jī)型號(hào)設(shè)計(jì)的要求,花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng),分析的部位具有局限性。隨著大型計(jì)算機(jī)及工作站的出現(xiàn)和大量工程應(yīng)用軟件的投入使用,使得復(fù)雜的工程問(wèn)題得以用有限元法進(jìn)行分析。從而使航空結(jié)構(gòu)分析走上的道路。使用有限元對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析具有極大的優(yōu)越性。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/257892.htm

            程序是一個(gè)功能強(qiáng)大靈活的設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化軟件包,它可以對(duì)飛機(jī)的各大部件如機(jī)身、機(jī)翼、舵面、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、氣密艙、起落架等進(jìn)行常規(guī)的結(jié)構(gòu)分析、熱分析、空氣動(dòng)力分析、電磁分析,而且其強(qiáng)大的多物理場(chǎng)耦合功能可進(jìn)行諸如流體-固體耦合、熱-結(jié)構(gòu)c、磁-結(jié)構(gòu)耦合以及電-磁-流體-熱-結(jié)構(gòu)耦合分析,完全能滿足飛機(jī)設(shè)計(jì)中對(duì)的需求。


          圖3-1圖3-2圖3-3

            位于紐約州的奧歐拉市的穆格公司,設(shè)計(jì)軍用飛機(jī)在高振動(dòng)條件下工作的馬達(dá)控制器,該控制器由鑄鋁室和若干電子模塊組成,裝有PCB板,冷卻風(fēng)扇及其它結(jié)構(gòu)。為了在實(shí)驗(yàn)前揭露潛在的設(shè)計(jì)問(wèn)題,以避免鑒定階段的重復(fù)設(shè)計(jì),采用進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)分析、電子冷卻分析及疲勞失效分析。穆格公司的工程師杰拉德.米耶爾茲說(shuō):“我們發(fā)現(xiàn)是一個(gè)極有價(jià)值的工具,它能夠在硬件尚未真正制造出來(lái)之前,識(shí)別潛在的許多問(wèn)題,我們很高興在幾何與載荷都如此復(fù)雜的水準(zhǔn)上進(jìn)行這個(gè)工作。”圖3-1為控制器,圖3-2為變形,圖3-3為應(yīng)力。

            1.總體

            在飛機(jī)總體設(shè)計(jì)分析中要考慮的問(wèn)題有:

            頻率和振型

            線性和非線性靜態(tài)和瞬態(tài)應(yīng)力

            失穩(wěn)分析

            飛鳥(niǎo)和飛機(jī)的撞擊

            總體氣動(dòng)性能

            飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)匹配

            軍用飛機(jī)的雷達(dá)反射特性以及紅外輻射特性


          圖3-4瑞士Pilatus飛機(jī)公司對(duì)PC—12飛機(jī)用ANSYS進(jìn)行了動(dòng)力響應(yīng)分析

            ANSYS強(qiáng)大的動(dòng)力響應(yīng)分析功能可以快速地進(jìn)行模態(tài)和振型計(jì)算。ANSYS可考慮許多因素對(duì)模態(tài)和振型的影響,可以準(zhǔn)確地計(jì)算出飛機(jī)在各種條件下的模態(tài)和振型。

            借助于多層殼及實(shí)體單元(ANSYS共有九十九層的復(fù)合材料殼單元和實(shí)體單元)能建立復(fù)合材料模型,這些單元允許疊加各向同性或各向異性材料層,層厚和材料方向允許變化。ANSYS提供的失效準(zhǔn)則有最大應(yīng)變失效準(zhǔn)則、最大應(yīng)力失效準(zhǔn)則和Tsai—Wu失效準(zhǔn)則,用戶(hù)也可以通過(guò)用戶(hù)子程序來(lái)定義自己的失效準(zhǔn)則。ANSYS的復(fù)合材料功能特別適合于有大量復(fù)合材料的飛機(jī)系統(tǒng)。

            通常,飛機(jī)機(jī)身有大量的聯(lián)接,如鉚接/焊接/粘結(jié)等結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)的處理是總體分析中極為重要但又難以處理的問(wèn)題,ANSYS/LS-DYNA為機(jī)身在振動(dòng)、沖擊等作用下的動(dòng)力相應(yīng)分析提供了有效的手段。一方面軟件自身提供了鉚接、焊接(焊縫、電焊)、粘結(jié)等各種功能;另一方面顯示求解方法在振動(dòng)等瞬態(tài)分析中容易處理聯(lián)接、接觸等因素。

            解決動(dòng)態(tài)撞擊問(wèn)題也是ANSYS的優(yōu)勢(shì)所在,通過(guò)ANSYS的分析計(jì)算可以得到真實(shí)的飛鳥(niǎo)和飛機(jī)的撞擊效果和合理的耐撞結(jié)構(gòu),但要想通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得這樣的效果是不現(xiàn)實(shí)的,不僅耗費(fèi)無(wú)法承受的財(cái)力,而且設(shè)計(jì)周期也會(huì)很長(zhǎng)。

            ANSYS/LS-DYNA不但具有很強(qiáng)的碰撞分析功能,還特有安全帶單元,可良好地模擬飛機(jī)墜地事故(圖3-5)中乘員所收到的沖擊以及安全帶的作用。


          圖3-5飛機(jī)事故模擬

            ANSYS能方便地進(jìn)行失穩(wěn)分析。

            ANSYS的計(jì)算流體力學(xué)分析可以分析從低速到高超音速、從穩(wěn)態(tài)到瞬態(tài)的各種氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,而且由于采用的是有限元法進(jìn)行計(jì)算,所以對(duì)計(jì)算的結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有任何限制。詳見(jiàn)第六章“ANSYS在航空航天器空氣動(dòng)力學(xué)分析中的應(yīng)用”及第七章“ANSYS在航空航天器電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用”。

            ANSYS具有強(qiáng)大的電磁場(chǎng)分析功能,加上其熱輻射分析能力,可以很方便地計(jì)算軍用飛機(jī)的雷達(dá)和紅外隱身特性,詳見(jiàn)第八章“ANSYS在航空航天器電磁兼容、電磁干擾分析中的應(yīng)用”。

            2.鳥(niǎo)撞

            已有的實(shí)驗(yàn)證明,直徑為2毫米的水滴,在750米/秒的速度下撞擊馬氏體鋼,會(huì)使后者發(fā)生塑性變形。容易想象,一只重約250克的飛鳥(niǎo),其相對(duì)飛行速度為100-300米/秒與飛機(jī)相撞,足以使飛機(jī)的擋風(fēng)玻璃、機(jī)體、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片或外罩等嚴(yán)重變形或破碎,從而造成災(zāi)難,因此鳥(niǎo)撞問(wèn)題一直是航空航天領(lǐng)域倍受關(guān)注的難題。

            飛鳥(niǎo)在撞擊結(jié)構(gòu)的過(guò)程發(fā)生在很短時(shí)間內(nèi),一般為50毫秒左右,此過(guò)程中飛鳥(niǎo)肌體將發(fā)生流動(dòng)變形和解體而四處拋灑,結(jié)構(gòu)亦將產(chǎn)生大變形,甚至發(fā)生破壞,例如擋風(fēng)玻璃破碎、機(jī)體穿透、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片斷裂等。同時(shí),結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)將在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)發(fā)生,但令人感興趣的時(shí)間段一般不超過(guò)100毫秒。

          由于鳥(niǎo)撞整個(gè)過(guò)程在較短的時(shí)間內(nèi)完成,一般物理實(shí)驗(yàn)費(fèi)用昂貴而且難于提供足夠的信息,因此,目前在對(duì)飛行器鳥(niǎo)撞研究時(shí),采取方法是以應(yīng)用有限元技術(shù)模擬鳥(niǎo)撞為主,并輔以物理實(shí)驗(yàn)。

            有限元程序在模擬鳥(niǎo)撞時(shí),必須具備的功能包括:

            飛鳥(niǎo)物理材料的描述

            飛鳥(niǎo)流動(dòng)變形的描述

            飛鳥(niǎo)與飛行器接觸的描述

            飛行器結(jié)構(gòu)大變形和破壞過(guò)程的描述

            當(dāng)前,世界范圍內(nèi)對(duì)鳥(niǎo)撞進(jìn)行分析廣泛采用的工具為ANSYS/LS-DYNA。該程序是著名高度非線性有限元顯式求解程序,主要用于分析結(jié)構(gòu)在高速撞擊、爆炸等動(dòng)載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng),同時(shí)具有強(qiáng)大的流體功能,可進(jìn)行流體-固體耦合分析。

            飛鳥(niǎo)在高速撞擊時(shí)將產(chǎn)生強(qiáng)大壓力,足以使金屬材料發(fā)生變形和破壞。在這樣的變形條件下,飛鳥(niǎo)的材料呈流體。ANSYS/LS-DYNA中的飛鳥(niǎo)材料采用流體動(dòng)力材料,此種材料除定義一般材料性質(zhì)如密度、粘度外,附加的狀態(tài)方程用于定義其流體屬性,如可壓縮性、飛鳥(niǎo)破碎參數(shù)等。

            以前,人們?cè)谶M(jìn)行鳥(niǎo)撞問(wèn)題分析或?qū)嶒?yàn)時(shí)主要關(guān)注結(jié)構(gòu)(飛行器)的變形和響應(yīng),對(duì)飛鳥(niǎo)變形過(guò)程不夠重視,但事實(shí)上撞擊載荷的大小不僅決定于飛鳥(niǎo)的動(dòng)能,還與其流動(dòng)過(guò)程以及破碎的時(shí)間密切相關(guān)。即正確描述飛鳥(niǎo)的流動(dòng)和破碎過(guò)程對(duì)整個(gè)分析至關(guān)重要。以前的研究對(duì)此認(rèn)識(shí)有欠缺。ANSYS/LS-DYNA提供兩種方式描述飛鳥(niǎo)的流動(dòng)和破碎:LAGRANGE(或ALE)單元、EULER單元;LAGRANGE(或ALE)的變形能力很大,足以描述與結(jié)構(gòu)分離前的變形,而EULER單元可正確描述任意程度的變形,在圖3-6的鳥(niǎo)撞過(guò)程模擬中,飛鳥(niǎo)即采用的EULER單元描述。


          圖3-6葉片的鳥(niǎo)撞過(guò)程模擬

            ANSYS/LS-DYNA在處理飛鳥(niǎo)與飛行器的接觸過(guò)程中亦提供兩種方式:1.當(dāng)采用LAGRANGE(或ALE)描述時(shí),使用結(jié)構(gòu)/結(jié)構(gòu)接觸算法;2.當(dāng)采用EULER描述時(shí),采用流體/結(jié)構(gòu)耦合算法。

            對(duì)于結(jié)構(gòu)(飛行器),可使用ANSYS/LS-DYNA附加破壞算法的結(jié)構(gòu)材料,例如彈性破壞材料(擋風(fēng)玻璃)、彈塑性破壞材料(葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)外罩)或可考慮失效的疊層復(fù)合材料(機(jī)體、機(jī)翼)等。

            在最新發(fā)布的DYNA7.0版本中加入了光順質(zhì)點(diǎn)流體動(dòng)力算法(smooth-particle-hydrodynamics(SPH)),這種方法的特點(diǎn)是以一組質(zhì)點(diǎn)定義相應(yīng)物質(zhì),由于沒(méi)有有限元網(wǎng)格,更易于描述飛鳥(niǎo)的變形和破碎過(guò)程,這些質(zhì)點(diǎn)描述的物質(zhì)具有拉格朗日屬性。圖3-7的葉片鳥(niǎo)撞過(guò)程即采用的這種方法。


          圖3-7葉片鳥(niǎo)撞過(guò)程模擬

            Boeing公司為GulfstreamAerospaceGVBusimessJet(GV型灣流豪華公務(wù)機(jī))的機(jī)翼前緣多個(gè)部位進(jìn)行鳥(niǎo)撞模擬。最初的機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成內(nèi)部橫梁斷裂,改進(jìn)后的機(jī)翼滿足標(biāo)準(zhǔn)FAR25.571(e)和JAR25.631的要求,圖3-8為鳥(niǎo)撞過(guò)程。

            采用LS-DYNA分析鳥(niǎo)撞過(guò)程,已經(jīng)是相當(dāng)成熟的技術(shù)。在LS-DYNA的全球年會(huì)論文中,關(guān)于鳥(niǎo)撞的研究文章每年都占一定比例,這些研究中分析了包括機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、安全罩等部件的鳥(niǎo)撞過(guò)程。


          圖3-8GV型灣流豪華公務(wù)機(jī)機(jī)翼前緣鳥(niǎo)撞模擬



          關(guān)鍵詞: 有限元分析 ANSYS CAE

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