搜索ANSYS對飛機(jī)仿真解決方案
2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
第四章飛機(jī)仿真解決方案
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)型號設(shè)計(jì)的要求,花費(fèi)的時(shí)間長,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CAE的道路。使用有限元對飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析具有極大的優(yōu)越性。
ANSYS程序可以對飛機(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)大的多物理場耦合功能可進(jìn)行諸如流體-固體耦合、熱-結(jié)構(gòu)耦合、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)中對有限元分析的需求。
1.總體設(shè)計(jì)分析
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圖 |
在飛機(jī)總體設(shè)計(jì)分析中要考慮的問題有:
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
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。
ANSYS提供的模態(tài)綜合法為整機(jī)大模型的模態(tài)計(jì)算以及靈活的設(shè)計(jì)提供了方便。首先對各部件的分別分析,最后通過綜合得到整機(jī)模態(tài),使得整機(jī)的模態(tài)分析不受硬件性能限制。同時(shí),對局部設(shè)計(jì)的修改之后的整機(jī)模態(tài)分析并不需要重新分析,只需修改后的部件進(jìn)行重新分析便可得到精確的整機(jī)分析結(jié)果。
借助于多層殼及實(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,用戶也可以通過用戶子程序來定義自己的失效準(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。
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圖 |
解決動(dòng)態(tài)撞擊問題也是ANSYS的優(yōu)勢所在,通過ANSYS的分析計(jì)算可以得到真實(shí)的飛鳥和飛機(jī)的撞擊效果和合理的耐撞結(jié)構(gòu),但要想通過實(shí)驗(yàn)來獲得這樣的效果是不現(xiàn)實(shí)的,不僅耗費(fèi)無法承受的財(cái)力,而且設(shè)計(jì)周期也會很長。
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。
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)問題,而且由于采用的是有限元法進(jìn)行計(jì)算,所以對計(jì)算的結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有任何限制。詳見第六章。
ANSYS具有強(qiáng)大的電磁場分析功能,可以很方便地計(jì)算軍用飛機(jī)的雷達(dá)和隱身特性,詳見第八章。
2.鳥撞問題
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,會使后者發(fā)生塑性變形。容易想象,一只重約250克的飛鳥,其相對飛行速度為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,因此鳥撞問題一直是航空航天領(lǐng)域倍受關(guān)注的難題。
飛鳥在撞擊結(jié)構(gòu)的過程發(fā)生在很短時(shí)間內(nèi),一般為50毫秒左右,此過程中飛鳥肌體將發(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100毫秒。
由于鳥撞整個(gè)過程在較短的時(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,目前在對飛行器鳥撞研究時(shí),采取方法是以應(yīng)用有限元技術(shù)模擬鳥撞為主,并輔以物理實(shí)驗(yàn)。
有限元程序在模擬鳥撞時(shí),必須具備的功能包括:
飛鳥物理材料的描述
飛鳥流動(dòng)變形的描述
飛鳥與飛行器接觸的描述
飛行器結(jié)構(gòu)大變形和破壞過程的描述
當(dāng)前,世界范圍內(nèi)對鳥撞進(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,飛鳥的材料呈流體。ANSYS LS-DYNA中的飛鳥材料采用流體動(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、飛鳥破碎參數(shù)等。
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圖 |
以前,人們在進(jìn)行鳥撞問題分析或?qū)嶒?yàn)時(shí)主要關(guān)注結(jié)構(gòu)(飛行器)的變形和響應(yīng),對飛鳥變形過程不夠重視,但事實(shí)上撞擊載荷的大小不僅決定于飛鳥的動(dòng)能,還與其流動(dòng)過程以及破碎的時(shí)間密切相關(guān)。即正確描述飛鳥的流動(dòng)和破碎過程對整個(gè)分析至關(guān)重要。以前的研究對此認(rèn)識有欠缺。ANSYS LS-DYNA提供兩種方式描述飛鳥的流動(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
ANSYS LS-DYNA在處理飛鳥與飛行器的接觸過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。
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DYNA中有另一種算法很適合鳥撞問題仿真: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),由于沒有有限元網(wǎng)格,更易于描述飛鳥的變形和破碎過程,這些質(zhì)點(diǎn)描述的物質(zhì)具有拉格朗日屬性。圖
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Boeing公司為Gulfstream Aerospace GV Busimess Jet(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)FAR 25.571(e)和JAR 25.631的要求,圖
采用LS-DYNA分析鳥撞過程,已經(jīng)是相當(dāng)成熟的技術(shù)。在LS-DYNA的全球年會論文中,關(guān)于鳥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、安全罩等部件的鳥撞過程。
3.機(jī)翼設(shè)計(jì)分析
機(jī)翼大致由蒙皮、翼肋、翼梁和墻、長珩等組成。機(jī)翼主體受到氣動(dòng)載荷、慣性載荷以及各連接點(diǎn)傳來的集中載荷等類型的載荷。
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可以運(yùn)用ANSYS提供的梁單元、桿單元、殼單元、三維實(shí)體單元、各向異性單元對機(jī)翼進(jìn)行靜力分析、動(dòng)力響應(yīng)分析(模態(tài)、顫振、抖振等)、失穩(wěn)分析、損傷容限分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。運(yùn)用ANSYS流體分析功能可以先對機(jī)翼進(jìn)行空氣動(dòng)力計(jì)算,然后將計(jì)算結(jié)果作為氣動(dòng)激勵(lì)進(jìn)一步計(jì)算分析機(jī)翼的動(dòng)力響應(yīng)。不同物理場的耦合分析正是ANSYS的一大特色。
對機(jī)翼和機(jī)身的連接部件、機(jī)翼的固定件還可以運(yùn)用ANSYS的非線性功能進(jìn)行塑性和接觸等非線性分析。
4.機(jī)身設(shè)計(jì)分析
飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu),都是典型的薄壁結(jié)構(gòu),一般是由蒙皮、隔框、長珩等組成,承受的主要載荷有:
氣動(dòng)載荷
慣性載荷
地面載荷
動(dòng)力裝置載荷
其他載荷
機(jī)身骨架由梁組成,在傳統(tǒng)的有限元軟件中,梁單元的斷面參數(shù)定義、模型檢查、結(jié)果表示非常不方便。而ANSYS前處理內(nèi)置11種標(biāo)準(zhǔn)梁斷面庫,并允許用戶自定義不規(guī)則斷面形狀庫,使繁瑣的梁斷面參數(shù)定義變得簡單、方便,按真實(shí)斷面形狀顯示梁單元,使模型表示及檢查更加容易,后處理中按斷面形狀顯示求解結(jié)果、按拉正壓負(fù)的工程習(xí)慣繪制彩色彎矩圖,使結(jié)果的表達(dá)更加直觀。
ANSYS強(qiáng)大而方便的建模及載荷處理功能,豐富的梁單元、桿單元、殼單元、三維實(shí)體單元、各向異性單元,可方便、準(zhǔn)確地對機(jī)身進(jìn)行靜力分析、動(dòng)力響應(yīng)分析(模態(tài)、顫振等)、失穩(wěn)分析、損傷容限分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
ANSYS的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析功能可以對機(jī)身進(jìn)行溫度場計(jì)算以及熱應(yīng)力和熱變形計(jì)算。
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ANSYS的計(jì)算流體力學(xué)分析功能可以對機(jī)身進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算,移動(dòng)壁面的功能可以方便地模擬機(jī)身的飛行狀態(tài),給出高速飛行中機(jī)身的空氣動(dòng)力狀況。利用ANSYS的流-固耦合功能可以進(jìn)一步進(jìn)行機(jī)身的動(dòng)力響應(yīng)分析。
對機(jī)身的固定件還可以運(yùn)用ANSYS的非線性功能進(jìn)行塑性和接觸等非線性分析。
Boeing公司采用ANSYS程序來分析波音737飛機(jī)的主起落架伺服機(jī)構(gòu)的前后端軸承,以確定過渡圓角半徑和銷釘厚度。圖
5.起落架設(shè)計(jì)分析
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在飛機(jī)設(shè)計(jì)里,起落裝置的設(shè)計(jì)是十分重要的環(huán)節(jié),為了保證飛機(jī)的安全起飛、著陸,要求起落架具有足夠的強(qiáng)度、剛度與沖擊性能。為了使飛行器離地后具有良好的性能,還要求起落架應(yīng)足夠的輕。
可以運(yùn)用ANSYS提供的多種單元對起落架進(jìn)行靜力分析、動(dòng)力響應(yīng)分析,飛機(jī)著陸過程是典型的沖擊類問題,ANSYS顯式求解模塊ANSYS LS-DYNA是目前最好的動(dòng)力沖擊仿真程序,可對著陸過程進(jìn)行沖擊分析、失穩(wěn)分析、損傷容限分析,從而實(shí)現(xiàn)對起落架的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
起落架在載荷上要承受強(qiáng)沖擊載荷,在結(jié)構(gòu)上又有高阻尼緩沖元件,因此起落架的分析是高度非線性分析,ANSYS的組合單元(滑動(dòng)、摩擦、間隙、阻尼、彈簧組合)、矩陣單元可方便地模擬多種阻尼緩沖件的靜、動(dòng)力特性,因此在起落架的分析中可以考慮進(jìn)所有的主要因素。
6.飛機(jī)操縱系統(tǒng)
對飛機(jī)操縱系統(tǒng)的機(jī)械部分,同樣可以運(yùn)用ANSYS的分析計(jì)算功能進(jìn)行各種分析。例如ANSYS中特有的安全帶單元,可以模擬在緊急狀況下安全部件對乘員的保護(hù)過程。
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Boeing公司運(yùn)用ANSYS分析Boeing747坐椅的受力情況,提高了安全性。圖
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)問題,以避免鑒定階段的重復(fù)設(shè)計(jì),采用ANSYS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:“我們發(fā)現(xiàn)ANSYS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之前,識別潛在的許多問題,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
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7.飛機(jī)零部件加工過程工藝仿真
飛機(jī)零部件中有大量的沖壓件、鍛件、鑄件,這些加工過程涉及沖擊類載荷、幾何非線性、接觸非線性的塑性大變形過程,ANSYS的非線性分析及優(yōu)化功能可獲得常規(guī)方法難以獲得的金屬成型過程中的溫度場、應(yīng)力場、應(yīng)變場,為提高工件的加工質(zhì)量、選取設(shè)備噸級、制定合理的工藝過程提供依據(jù)。
ANSYS LS-DYNA具有30多種接觸、熱接觸類型,含有多種塑性、熱塑性材料本構(gòu)模式,對物質(zhì)大變形有Lagrange、ALE及Euler三種描述方式,因而被廣泛應(yīng)用于金屬加工過程的模擬。
LS-DYNA時(shí)間積分器采用中心差分格式,對未知量顯式求解。由于質(zhì)量矩陣進(jìn)行對角化處理,可進(jìn)一步加快求解速度。一般的沖壓、鍛壓、鑄造等問題合理控制有限元規(guī)模,在PC機(jī)上運(yùn)行5-20小時(shí)能得到理想結(jié)果,這樣的效率是其它程序難以相比的。
沖壓
ANSYS LS-DYNA是目前世界上應(yīng)用最廣泛的板成形仿真模擬軟件,可良好地完成沖壓、回彈全過程的模擬,模擬拉延、預(yù)彎、切邊、彎曲、翻邊、多工序加工,分析板料的減薄拉裂、起皺、回彈,優(yōu)化模具幾何形狀、板料、沖壓工藝,通過給定材料的FLD(flow limit dia.)判斷板料在拉延過程中局部開裂現(xiàn)象。
LS-DYNA可用于板成形分析使用的單元有11種。用于板料成形的材料模式是各種彈塑性材料,可考慮各向異性、強(qiáng)化特征,強(qiáng)化類型包括指數(shù)強(qiáng)化、隨動(dòng)強(qiáng)化、等向強(qiáng)化、混合強(qiáng)化以及應(yīng)變率對材料強(qiáng)化的影響。在DYNA30余種接觸類型中,適于板成形分析的有12種,都采用罰函數(shù)方法(penalty),在接觸計(jì)算過程中考慮殼單元厚度及其變化。進(jìn)行板成形分析時(shí)可選擇使用3D adaptive mesh功能,可在計(jì)算過程中對板料網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。
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鍛壓
鍛壓過程是一個(gè)非線型大變形的熱結(jié)構(gòu)耦合的過程,材料在多數(shù)情況下經(jīng)歷較大的溫度變化,為熱塑性材料,ANSYS LS-DYNA中熱塑性材料模型很適于描述鍛壓過程中的材料行為。
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ANSYS LS-DYNA特有的單點(diǎn)積分、多點(diǎn)積分和縮減積分單元技術(shù);良好地解決了大變形體積鎖死問題,使得大變形非線性的分析具有良好的收斂特性,應(yīng)力更新中采用Jaumann應(yīng)力率,避免因剛體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)力。在剪切變形較大時(shí),可選擇使用Green-Naphdi應(yīng)力率。
在多數(shù)鍛壓分析中,若對材料采用Lagrange描述,則隨著金屬件成形過程的繼續(xù),初始網(wǎng)格的變形逐漸加大,將導(dǎo)致單元精度降低甚至發(fā)生畸變,因此必須進(jìn)行網(wǎng)格重新劃分,ANSYS LS-DYNA可以自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格重劃分。值得說明的是,ANSYS LS-DYNA早已采用一種更為先進(jìn)的網(wǎng)格ALE,即任意拉格朗日-歐拉網(wǎng)格。ALE網(wǎng)格進(jìn)行Rezoning的目的和過程與Remeshing基本相同,但兩者的網(wǎng)格描述存在本質(zhì)差異(后者是拉格朗日網(wǎng)格),ALE結(jié)合拉格朗日和歐拉網(wǎng)格各自的優(yōu)點(diǎn),已廣泛用于結(jié)構(gòu)材料的大變形。除此之外,LS-DYNA對物質(zhì)的描述還可采用Euler方法,此方法的最大特點(diǎn)是物質(zhì)與網(wǎng)格相互獨(dú)立,可模擬材料的極度變形,同時(shí)時(shí)間步長不會因變形的增大而降低,即求解效率比Lagrange和ALE方法高。此外,采用Euler描述的另一優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)鍛壓過程中的流體(如冷卻水、氣流等)耦合分析。
鑄造
ANSYS LS-DYNA的Euler算法包括單物質(zhì)歐拉和多物質(zhì)歐拉求解。歐拉構(gòu)形主要有三種:一階精度的Donor Cell;二階精度的Van Leer;二階精度的Van Leer +Half Index Shift。多物質(zhì)流體的單元構(gòu)形主要有二種:流體+空材料和全空材料;多種材料的混合單元(壓力平衡)。
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這些模型都可以和通用的固體結(jié)構(gòu)單元如solid、shell、brick和beam等單元自動(dòng)耦合,不需要滑移界面。同時(shí),此類求解器的加入,使ANSYS/LS-DYNA具有了可壓縮流體流動(dòng)分析的能力,可求解如自由界面流動(dòng)、任意管道流動(dòng)、流體混合、復(fù)合材料等的注塑成型、金屬構(gòu)件澆注成型、高速高壓氣體注入等復(fù)雜的流體和流體-結(jié)構(gòu)耦合問題。
ANSYS LS-DYNA在進(jìn)行澆注模擬時(shí),模具的空腔定義為Euler區(qū),并將其材料定義成空(void)或任何物質(zhì)(如空氣),澆口處單元定義為Euler源(Euler ambient),即物質(zhì)由此進(jìn)入Euler區(qū),物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力是壓力和(或)重力。
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圖4-7-4 葉片的冷卻 |
ANSYS LS-DYNA的流體介質(zhì)定義為流體動(dòng)力材料,單元的壓力以及可壓縮性由附帶的狀態(tài)方程(即壓力方程)決定。隨著物質(zhì)由澆口流入Euler區(qū),空腔和澆口的壓力差逐漸降低,最終達(dá)到平衡,模擬即可終止。LS-DYNA中可方便施加溫度邊界條件和熱生成,在澆注分析中可考慮熱擴(kuò)散。
澆注過程模擬完成后,可通過ANSYS隱式算法分析鑄件的凝固過程。ANSYS的相變分析及熱變形、熱應(yīng)力分析功能,可以模擬預(yù)測鑄造過程中的變形及殘余應(yīng)力,考察不同的落沙條件,降低鑄件內(nèi)的殘余應(yīng)力。
PCC葉片制造公司,采用ANSYS分析某葉片的鑄造過程,輸入熵與溫度關(guān)系,進(jìn)行相變熱分析,取得了很好的結(jié)果,為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供了準(zhǔn)確的信息。圖
8.復(fù)合材料專題
復(fù)合材料技術(shù)已成為影響飛機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一,該類材料逐漸應(yīng)用于飛機(jī)等結(jié)構(gòu)的主承力構(gòu)件中,西方的先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)上復(fù)合材料使用量已達(dá)結(jié)構(gòu)重量的25%以上。因此,有必要詳細(xì)討論此類材料和結(jié)構(gòu)的仿真問題。
飛機(jī)結(jié)構(gòu)中,復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)最常見的結(jié)構(gòu)形式有板殼、實(shí)體、夾層、桿梁等結(jié)構(gòu)。板殼結(jié)構(gòu)如機(jī)翼蒙皮等,實(shí)體結(jié)構(gòu)如結(jié)構(gòu)連接件等,夾層結(jié)構(gòu)如某些薄翼型和楔型結(jié)構(gòu),桿梁結(jié)構(gòu)如梁、肋、壁板等。采用纏繞工藝制造的筒身結(jié)構(gòu)也可視為層合結(jié)構(gòu)的一種形式。
復(fù)合材料,是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料組成。主要組分是增強(qiáng)材料和基體材料。復(fù)合材料保持了增強(qiáng)材料和基體材料本身的優(yōu)點(diǎn),而且通過各相組分性能的互補(bǔ)和關(guān)聯(lián),獲得優(yōu)異的性能,例如具有比強(qiáng)度、比剛度高、抗疲勞性能好、各向異性、以及材料性能可設(shè)計(jì)的特點(diǎn),應(yīng)用于航空領(lǐng)域中,可以獲得顯著的減重效益,并可通過合理設(shè)計(jì)改善結(jié)構(gòu)性能。
8.1復(fù)合材料設(shè)計(jì)分析與有限元方法
與金屬材料不同,復(fù)合材料的材料不均勻性導(dǎo)致的各向異性和受力耦合效應(yīng),使得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析工作要復(fù)雜許多。復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),就是對鋪層層數(shù)、鋪層厚度及鋪層角的設(shè)計(jì)。采用傳統(tǒng)的等代設(shè)計(jì)(等剛度、等強(qiáng)度)、準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)方法,復(fù)合材料的優(yōu)異性能難以充分發(fā)揮。
在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析中,已經(jīng)廣泛采用有限元數(shù)值仿真分析。復(fù)合材料有限元方法的基本原理,在本質(zhì)上與各向同性材料相同,只是離散方法和本構(gòu)矩陣不同。復(fù)合材料有限元法中的離散化是雙重的,包括了對結(jié)構(gòu)的離散和沿厚度方向的每一鋪層離散。這樣的離散處理,可以使每一層的力學(xué)性能、鋪層方向、以及其在層合板中的位置直接體現(xiàn)在整個(gè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的剛度矩陣中。
有限元分析軟件,均基于復(fù)合材料的宏觀有限元法,即把增強(qiáng)材料和基體復(fù)合在一起討論結(jié)構(gòu)的宏觀力學(xué)行為,因此可以忽略復(fù)合材料的多相性導(dǎo)致的微觀力學(xué)行為。在宏觀有限元法中,以每一鋪層為分析單元。
8.2ANSYS復(fù)合材料仿真技術(shù)及其在航空領(lǐng)域應(yīng)用
復(fù)合材料具有各向異性、耦合效應(yīng)、層間剪切等特殊性質(zhì),因此復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的精確仿真,已成為現(xiàn)代航空結(jié)構(gòu)的迫切需求。
許多CAE程序都可以進(jìn)行復(fù)合材料的分析,但是大多程序并沒有提供完備的功能,使復(fù)合材料的精確仿真難以完成。如有些程序不提供非線性分析能力,有些不提供層間剪切應(yīng)力的求解能力,有些不提供考慮材料失效破壞繼續(xù)計(jì)算能力等等。
ANSYS是一款著名的商業(yè)化大型通用有限元軟件,廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,為飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)分析提供了完整精確的解決方案。
針對飛機(jī)中的梁、板、實(shí)體等復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu),ANSYS提供一系列的特殊單元——層單元,以模擬各種復(fù)合材料。
圖
復(fù)合材料板殼
ANSYS提供的板殼層合單元,是二次高階單元,支持鋪層數(shù)最多達(dá)250層以上,支持塑性、大應(yīng)變、大變形等各種非線性分析功能和算法。另外,還可以定義飛機(jī)結(jié)構(gòu)中常見的蜂窩/泡沫夾層結(jié)構(gòu)。同時(shí)支持節(jié)點(diǎn)偏置,使不同厚度板殼相協(xié)調(diào)。
因此很適用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中,各種復(fù)合材料薄殼和中厚殼的復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)。
復(fù)合材料實(shí)體
ANSYS提供的實(shí)體層單元,支持二次高階單元,支持鋪層數(shù)最多達(dá)250層以上,支持各種非線性功能和算法。適用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的厚殼、實(shí)體及連接件的結(jié)構(gòu)分析。
復(fù)合材料梁
ANSYS提供的層合梁單元,則通過在截面上定義多層不同性質(zhì)的材料,來模擬復(fù)合材料梁的層合結(jié)構(gòu)。因此該類單元,適用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料層合梁的整體分析。
若對梁翼緣與腹板的剪切應(yīng)力、層間應(yīng)力、局部屈曲失穩(wěn)等更加關(guān)心,或腹板是正弦波型等特殊截面形式,則可使用板殼模型組成梁結(jié)構(gòu),以得出更精確具體的分析結(jié)果。
鋪層結(jié)構(gòu):對于每一鋪層定義材料性質(zhì)、鋪層角、鋪層厚度。然后ANSYS通過由下到上的順序逐層疊加組合為復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)。另外,也可以通過直接輸入材料本構(gòu)矩陣來定義復(fù)合材料性質(zhì)。
板殼和梁單元截面形狀:利用截面形狀工具可定義矩形、I型、槽型等各種形式。ANSYS還可以定義各種函數(shù)曲線以模擬變厚度截面。
8.2.3特殊層合結(jié)構(gòu)的模擬
變厚度板殼鋪層切斷:將切斷的某鋪層厚度定義為零,即可模擬鋪層切斷前后的板殼實(shí)際形狀。(圖
不同鋪層板殼的節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào): ANSYS板殼層單元的節(jié)點(diǎn)均可偏置到任意位置,使不同鋪層數(shù)板殼的節(jié)點(diǎn)在中面或頂面、底面對齊。(圖
蜂窩/泡沫夾層結(jié)構(gòu):ANSYS通過板殼層單元來模擬夾層結(jié)構(gòu)的特性,夾層面板和芯子可以是不同材料。(圖
板-梁-實(shí)體組合結(jié)構(gòu):ANSYS將實(shí)體、板殼與梁等不同類型單元通過MPC技術(shù)相聯(lián)系,不要求實(shí)體、板殼和梁單元的節(jié)點(diǎn)必須重合并協(xié)調(diào),結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分變得輕松自如。
8.2.4復(fù)合材料有限元模型的檢查:
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)模型建立后,可以將板殼和梁單元顯示為實(shí)際形狀,還可以通過圖形顯示和列表直觀地觀察鋪層厚度、鋪層角度和鋪層組合形式,方便模型的檢查及校對。(圖
8.2.5復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)分析
ANSYS層單元支持各種靜強(qiáng)度剛度、非線性、穩(wěn)定性、疲勞斷裂和振動(dòng)特性等結(jié)構(gòu)分析。完成分析后,可以圖形顯示或輸出每個(gè)鋪層及層間的應(yīng)力和應(yīng)變等結(jié)果(雖然一個(gè)單元包含許多鋪層),根據(jù)這些結(jié)果可以判斷結(jié)構(gòu)是否失效破壞和滿足設(shè)計(jì)要求。
用戶可以采用ANSYS預(yù)定義的三種復(fù)合材料破壞準(zhǔn)則來評價(jià)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)安全性。每種強(qiáng)度準(zhǔn)則均可定義與溫度相關(guān)以考慮溫度影響。另外,用戶也可自定義最多達(dá)六種的失效準(zhǔn)則,對特殊復(fù)合材料進(jìn)行失效判斷。
最大應(yīng)變失效準(zhǔn)則和最大應(yīng)力失效準(zhǔn)則:ANSYS支持九個(gè)失效應(yīng)變/應(yīng)力。
Tsai-Wu(蔡-吳)失效準(zhǔn)則:最為常用的復(fù)合材料失效準(zhǔn)則。包含了更為全面的強(qiáng)度指標(biāo)。 ANSYS預(yù)定義的Tsai-Wu準(zhǔn)則允許有九個(gè)失效應(yīng)力和三個(gè)附加的耦合系數(shù)。
復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的層間抗剪強(qiáng)度,是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。層與層之間,幾乎完全依靠層間界面的樹脂基體承載,強(qiáng)度很低。而層間剪切應(yīng)力一旦導(dǎo)致結(jié)構(gòu)分層破壞,復(fù)合材料即可能提前失效。經(jīng)典的層合板理論,各鋪層按平面應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算,不考慮層間應(yīng)力。因而對復(fù)雜受力情況下的復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的分析,是不夠精確的。
ANSYS的層單元,利用各鋪層單元在厚度方向上疊加來模擬層合結(jié)構(gòu),每個(gè)鋪層即為一個(gè)單元,則單元之間的剪切應(yīng)力完全可以計(jì)算得出,因而可以精確地求解層間應(yīng)力。
8.2.8復(fù)合材料結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分析
復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的各向異性和鋪層方向的不對稱造成的耦合效應(yīng),使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)即使均勻升溫也會在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。復(fù)合材料這一特性與普通均勻材料大為不同,因此復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分析必須引起重視。
ANSYS的結(jié)構(gòu)-熱耦合分析,可以對復(fù)合材料在熱環(huán)境下的熱膨脹應(yīng)力和結(jié)構(gòu)固化成形過程中
ANSYS程序中的材料性質(zhì)、強(qiáng)度準(zhǔn)則均可以定義為隨溫度變化,以此來引入溫度變化對結(jié)構(gòu)物理性能的影響。
8.3復(fù)合材料結(jié)構(gòu)屈曲失穩(wěn)實(shí)例
8.3.1工程背景
飛機(jī)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中,板加筋結(jié)構(gòu)形式最為常見,如壁板、隔框、翼盒等。通常,飛機(jī)的復(fù)合材料加筋板的厚度較薄,因此結(jié)構(gòu)分析不僅僅是判斷材料的失效破壞和層間剪切破壞,還應(yīng)該關(guān)注結(jié)構(gòu)是否屈曲失穩(wěn)而破壞。
利用ANSYS對某復(fù)合材料加筋板(圖
復(fù)合材料板殼
ANSYS提供的板殼層合單元,是二次高階單元,支持鋪層數(shù)最多達(dá)250層以上,支持塑性、大應(yīng)變、大變形等各種非線性分析功能和算法。另外,還可以定義飛機(jī)結(jié)構(gòu)中常見的蜂窩/泡沫夾層結(jié)構(gòu)。同時(shí)支持節(jié)點(diǎn)偏置,使不同厚度板殼相協(xié)調(diào)。
因此很適用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中,各種復(fù)合材料薄殼和中厚殼的復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)。
復(fù)合材料實(shí)體
ANSYS提供的實(shí)體層單元,支持二次高階單元,支持鋪層數(shù)最多達(dá)250層以上,支持各種非線性功能和算法。適用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的厚殼、實(shí)體及連接件的結(jié)構(gòu)分析。
復(fù)合材料梁
ANSYS提供的層合梁單元,則通過在截面上定義多層不同性質(zhì)的材料,來模擬復(fù)合材料梁的層合結(jié)構(gòu)。因此該類單元,適用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料層合梁的整體分析。
若對梁翼緣與腹板的剪切應(yīng)力、層間應(yīng)力、局部屈曲失穩(wěn)等更加關(guān)心,或腹板是正弦波型等特殊截面形式,則可使用板殼模型組成梁結(jié)構(gòu),以得出更精確具體的分析結(jié)果。
鋪層結(jié)構(gòu):對于每一鋪層定義材料性質(zhì)、鋪層角、鋪層厚度。然后ANSYS通過由下到上的順序逐層疊加組合為復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)。另外,也可以通過直接輸入材料本構(gòu)矩陣來定義復(fù)合材料性質(zhì)。
板殼和梁單元截面形狀:利用截面形狀工具可定義矩形、I型、槽型等各種形式。ANSYS還可以定義各種函數(shù)曲線以模擬變厚度截面。
8.2.3特殊層合結(jié)構(gòu)的模擬
變厚度板殼鋪層切斷:將切斷的某鋪層厚度定義為零,即可模擬鋪層切斷前后的板殼實(shí)際形狀。(圖
不同鋪層板殼的節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào): ANSYS板殼層單元的節(jié)點(diǎn)均可偏置到任意位置,使不同鋪層數(shù)板殼的節(jié)點(diǎn)在中面或頂面、底面對齊。(圖
蜂窩/泡沫夾層結(jié)構(gòu):ANSYS通過板殼層單元來模擬夾層結(jié)構(gòu)的特性,夾層面板和芯子可以是不同材料。(圖
板-梁-實(shí)體組合結(jié)構(gòu):ANSYS將實(shí)體、板殼與梁等不同類型單元通過MPC技術(shù)相聯(lián)系,不要求實(shí)體、板殼和梁單元的節(jié)點(diǎn)必須重合并協(xié)調(diào),結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分變得輕松自如。
8.2.4復(fù)合材料有限元模型的檢查:
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)模型建立后,可以將板殼和梁單元顯示為實(shí)際形狀,還可以通過圖形顯示和列表直觀地觀察鋪層厚度、鋪層角度和鋪層組合形式,方便模型的檢查及校對。(圖
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