采用Abaqus FEA推動復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展

2017-04-15  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

歐洲航空研究咨詢委員會(ACARE)曾發(fā)布了一份展望未來20年空中旅行的報告。這份題為《歐洲航空——2020愿景》的報告制定了降低航空產(chǎn)業(yè)對環(huán)境影響的目標(biāo),提出了將航空器燃料消耗降低50%、二氧化碳排放降低50%、氮氧化物排放降低80%的要求。為了在2020年實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),飛機(jī)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域正在以極具競爭力的速度發(fā)展,積極設(shè)計(jì)重量更輕、燃料效率更高、飛行距離更遠(yuǎn)的航空器。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的一個重要策略就是采用創(chuàng)新型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)取代當(dāng)前的金屬組件。

歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)(EADS)旗下眾多的業(yè)務(wù)實(shí)體及航空航天合作伙伴積極參與更環(huán)保、更清潔的商用航空器的開發(fā)。他們正通過統(tǒng)稱為EADS Innovation Works的技術(shù)能力中心的全球網(wǎng)絡(luò),積極尋求為航空器設(shè)計(jì)帶來可持續(xù)性——逐一研究每個組件的各種途徑。

Tamas Havar博士是位于德國慕尼黑附近的EADS InnovationWorksite的專家,主要負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)整合與機(jī)械系統(tǒng)部門的各種項(xiàng)目。他和他的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)開發(fā)使用復(fù)合材料的新型航空器結(jié)構(gòu)。Havar表示:“我們正在進(jìn)行的分析計(jì)劃目標(biāo)是集中精力開發(fā)創(chuàng)新型復(fù)合材料設(shè)計(jì)及制造方法,降低排量與制造成本?！?

作為德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部航空研究計(jì)劃“LuFo IV-HIT”的一部分,Airbus High-LiftR&T 團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)來自不同EADS業(yè)務(wù)部門以及大學(xué)。

在航空應(yīng)用中,增強(qiáng)型碳纖維(CFRP)預(yù)浸料通常是首選的復(fù)合材料。然而在此情況下,EADS工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在考慮降低成本的同時,選擇了一種必需采用紡織復(fù)合材料的非熱壓罐成型工藝。此外,紡織復(fù)合材料還運(yùn)用于 A380壓力艙壁板中,A380是空中客車迄今為止使用復(fù)合材料最多的機(jī)型。

設(shè)計(jì)復(fù)合材料航空結(jié)構(gòu)的一個關(guān)鍵因素就是各部件如何連接至周邊航空器結(jié)構(gòu)。襟翼等目前復(fù)合材料高升力結(jié)構(gòu)通常采用金屬負(fù)載導(dǎo)入結(jié)構(gòu)連接機(jī)翼。這些提供故障安全設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致機(jī)身重量加大和制造成本上升。此外,金屬和所連接的復(fù)合材料部件之間也存在著熱系數(shù)差異。另一方面,復(fù)合材料負(fù)載導(dǎo)入結(jié)構(gòu)也允許損傷容限設(shè)計(jì),因?yàn)橐惶庝亴悠茡p可由其它完好的鋪層補(bǔ)償。此外,采用復(fù)合材料還可消除導(dǎo)熱負(fù)載問題,因?yàn)楦呱拓?fù)載導(dǎo)入結(jié)構(gòu)均采用相同的復(fù)合材料。

EADS Innovation Works團(tuán)隊(duì)選用了Abaqus FEA對其復(fù)合材料LIR進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。Havar表示:“Abaqus是我們青睞的非線性求解器。它具備強(qiáng)大的復(fù)合材料分析功能,特別適合分析諸如我們LIR研究中所涉及的3D單元?！盇baqus FEA可用于EADS產(chǎn)品設(shè)計(jì)生命周期中的整個流程。在概念階段可用于縮小設(shè)計(jì)方案,在初步設(shè)計(jì)階段可用于設(shè)計(jì)首選概念,而在最后或詳細(xì)設(shè)計(jì)階段則可用于確保滿足所有規(guī)范要求。

新型復(fù)合材料LIR不但包括提供整體吊耳的驅(qū)動翼肋,這些吊耳可固定襟翼驅(qū)動器,而且還包括可將裝配組件固定在襟翼蒙皮的鉚釘(見圖1)。該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是簡化LIR復(fù)雜的幾何預(yù)成型,以便在除了預(yù)成型相對簡單和低成本的地方之外確保其厚度一致,從而降低制造成本。該團(tuán)隊(duì)的解決方案是采用LIR 配置文件實(shí)現(xiàn)預(yù)成型鋪放的自動化,從而最大限度降低了制造成本。

圖1 具有驅(qū)動翼肋

要建模新的設(shè)計(jì)方案,EADS團(tuán)隊(duì)不得不考慮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,包括從4~10mm不等的厚度變化、鋪層下陷和倒棱處附加樹脂、在圓角處使用襯料等。Havar指出:“考慮到復(fù)合材料自身的變量,我們應(yīng)采用3D單元計(jì)算復(fù)合材料負(fù)載導(dǎo)入,并對所有應(yīng)力組件進(jìn)行準(zhǔn)確分析。由于復(fù)合材料負(fù)載導(dǎo)入經(jīng)常發(fā)生層離問題,因此我們必須關(guān)注橫向剪切和剝離應(yīng)力?！?

考慮到上述因素,EADS工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用各種不同的Abaqus元件構(gòu)造了LIR模型。就襟翼而言,他們采用了大約2萬個2D單元,而對LIR本身為了計(jì)算負(fù)載導(dǎo)入,他們使用了大約10萬個連續(xù)殼3D單元,包括復(fù)合材料鋪層的六面體單元(每個單元4~8層,每層具有各向異性特性,支持3D元件方位)以及鋪層下陷處的五面體單元等。各向同性特性應(yīng)用于樹脂基體。綜上所述,LIR模型可提供大約45萬個自由度(DOF)(見圖2)。

圖2 LIR與周邊襟翼及機(jī)翼結(jié)構(gòu)的模型

此外,工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還必需演示裝配中使用的324個鉚釘,其可將LIR與周邊結(jié)構(gòu)固定起來,并能夠承受負(fù)載。Havar指出:“這不僅取決于所固定的結(jié)構(gòu),而且還取決于鉚釘材料及其本身的尺寸?！睘榱藢?shí)現(xiàn)這一點(diǎn),每個鉚釘都采用部件之間的彈性連接器建模。在一側(cè),鉚釘固定在復(fù)合材料襟翼蒙皮上,另一側(cè)其采用多點(diǎn)約束(MPC)固定,從而可在不同的蒙皮厚度上分配負(fù)載。分析得到的連接載荷用來計(jì)算蒙皮擠壓實(shí)效和鉚釘斷裂的安全系數(shù)。

為了完成LIR分析,EADS團(tuán)隊(duì)還使用Abaqus隱式求解器和后處理法計(jì)算了一些載荷工況。在上述情境中,襟翼固定在賦予梁單元的邊界處,來模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜅l件下在端部約束3個平移自由度。對于某些載荷工況,外側(cè)端的梁單元被對稱平移,在襟翼上產(chǎn)生了額外的扭力。該分析獲得了層內(nèi)失效(在復(fù)合材料鋪層中)和層間實(shí)效(鋪層間)以及鉚釘及吊耳負(fù)載結(jié)果。

圖3 FEA結(jié)果顯示的復(fù)合材料纖維方向的應(yīng)力

復(fù)合材料分析的積極結(jié)果

如果復(fù)合材料對設(shè)計(jì)未來更環(huán)保、更清潔的可持續(xù)性航空器非常重要,其具有更輕的重量、更高的燃料效率以及更少的排量,那么EADS合材料分析的結(jié)果就對各方面產(chǎn)生了積極的影響。對于LIR而言,面內(nèi)及橫向應(yīng)力分量在新型復(fù)合材料設(shè)計(jì)容限之內(nèi)(見圖3);對于所有鉚釘而言,連接LIR與周邊結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度性能系數(shù)都已達(dá)標(biāo)或超額達(dá)標(biāo);而對于復(fù)合材料吊耳而言,性能也在行業(yè)安全規(guī)范范圍之內(nèi)(見圖4)。

圖4 FEA結(jié)果顯示的吊耳上的最大局部應(yīng)力

ADS希望在航空器設(shè)計(jì)中整合更多的復(fù)合材料結(jié)構(gòu),因此毫無疑問,Innovation Works Lightweight Design團(tuán)隊(duì)將忙于開展一系列FEA項(xiàng)目。在設(shè)計(jì)工程師和FEA軟件開發(fā)人員合作應(yīng)對分析挑戰(zhàn)之際,復(fù)合材料也勢必將成為更環(huán)保新型航空器的重要組成部分。相信在不久的將來您將登上這樣的航班。

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