飞机设计中ANSYS的应用

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飞机一般由机翼、机身、起落架和飞机操作系统组成，其结构受力复杂，用以往的经典工程分析进行应力分析已满足不了现代飞机型号设计的要求，花费的时间长，分析的部位具有局限性。随着大型计算机及工作站的出现和大量工程应用软件的投入使用，使得复杂的工程问题得以用有限元法进行分析。从而使航空结构分析走上CAE的道路。使用有限元对飞机结构进行分析具有极大的优越性。
　　ANSYS程序是一个功能强大灵活的设计分析及优化软件包，它可以对飞机的各大部件如机身、机翼、舵面、发动机短舱、气密舱、起落架等进行常规的结构分析、热分析、空气动力分析、电磁分析，而且其强大的多物理场耦合功能可进行诸如流体－固体耦合、热－结构c、磁－结构耦合以及电－磁－流体－热- 结构耦合分析，完全能满足飞机设计中对有限元分析的需求。

图3-1图3-2图3-3
　　位于纽约州的奥欧拉市的穆格公司，设计军用飞机在高振动条件下工作的马达控制器，该控制器由铸铝室和若干电子模块组成，装有PCB板，冷却风扇及其它结构。为了在实验前揭露潜在的设计问题，以避免鉴定阶段的重复设计，采用ANSYS进行了随机振动分析、电子冷却分析及疲劳失效分析。穆格公司的工程师杰拉德.米耶尔兹说：“我们发现ANSYS是一个极有价值的工具，它能够在硬件尚未真正制造出来之前，识别潜在的许多问题，我们很高兴在几何与载荷都如此复杂的水准上进行这个工作。”图3-1为控制器，图3-2为变形，图3-3为应力。
　　1.总体
　　在飞机总体设计分析中要考虑的问题有：
　　频率和振型
　　线性和非线性静态和瞬态应力
　　失稳分析
　　飞鸟和飞机的撞击
　　总体气动性能
　　飞机、发动机的气动匹配
　　军用飞机的雷达反射特性以及红外辐射特性

图3-4瑞士Pilatus飞机公司对PC—12飞机用ANSYS进行了动力响应分析
　　ANSYS强大的动力响应分析功能可以快速地进行模态和振型计算。ANSYS可考虑许多因素对模态和振型的影响，可以准确地计算出飞机在各种条件下的模态和振型。
　　借助于多层壳及实体单元（ANSYS共有九十九层的复合材料壳单元和实体单元）能建立复合材料模型，这些单元允许叠加各向同性或各向异性材料层，层厚和材料方向允许变化。ANSYS提供的失效准则有最大应变失效准则、最大应力失效准则和Tsai—Wu失效准则，用户也可以通过用户子程序来定义自己的失效准则。ANSYS的复合材料功能特别适合于有大量复合材料的飞机系统。
　　通常,飞机机身有大量的联接,如铆接/焊接/粘结等结构,这些结构的处理是总体分析中极为重要但又难以处理的问题，ANSYS/LS-DYNA 为机身在振动、冲击等作用下的动力相应分析提供了有效的手段。一方面软件自身提供了铆接、焊接（焊缝、电焊）、粘结等各种功能；另一方面显示求解方法在振动等瞬态分析中容易处理联接、接触等因素。
　　解决动态撞击问题也是ANSYS的优势所在，通过ANSYS的分析计算可以得到真实的飞鸟和飞机的撞击效果和合理的耐撞结构，但要想通过实验来获得这样的效果是不现实的，不仅耗费无法承受的财力，而且设计周期也会很长。
　　ANSYS/LS-DYNA不但具有很强的碰撞分析功能，还特有安全带单元，可良好地模拟飞机坠地事故（图3-5）中乘员所收到的冲击以及安全带的作用。

图3-5飞机事故模拟
　　ANSYS能方便地进行失稳分析。
　　ANSYS的计算流体力学分析可以分析从低速到高超音速、从稳态到瞬态的各种气动力学问题，而且由于采用的是有限元法进行计算，所以对计算的结构形式没有任何限制。详见第六章“ANSYS在航空航天器空气动力学分析中的应用”及第七章“ANSYS在航空航天器电子产品热设计中的应用”。
　　ANSYS具有强大的电磁场分析功能，加上其热辐射分析能力，可以很方便地计算军用飞机的雷达和红外隐身特性，详见第八章“ANSYS在航空航天器电磁兼容、电磁干扰分析中的应用”。
　　2.鸟撞
　　已有的实验证明，直径为2毫米的水滴，在750米/秒的速度下撞击马氏体钢，会使后者发生塑性变形。容易想象，一只重约250克的飞鸟，其相对飞行速度为100-300米/秒与飞机相撞，足以使飞机的挡风玻璃、机体、发动机叶片或外罩等严重变形或破碎，从而造成灾难，因此鸟撞问题一直是航空航天领域倍受关注的难题。
　　飞鸟在撞击结构的过程发生在很短时间内，一般为50毫秒左右，此过程中飞鸟肌体将发生流动变形和解体而四处抛洒，结构亦将产生大变形，甚至发生破坏，例如挡风玻璃破碎、机体穿透、发动机叶片断裂等。同时，结构的动态响应将在较长时间内持续发生，但令人感兴趣的时间段一般不超过100毫秒。
　　由于鸟撞整个过程在较短的时间内完成，一般物理实验费用昂贵而且难于提供足够的信息，因此，目前在对飞行器鸟撞研究时，采取方法是以应用有限元技术模拟鸟撞为主，并辅以物理实验。
　　有限元程序在模拟鸟撞时，必须具备的功能包括：
　　飞鸟物理材料的描述
　　飞鸟流动变形的描述
　　飞鸟与飞行器接触的描述
　　飞行器结构大变形和破坏过程的描述
　　当前，世界范围内对鸟撞进行分析广泛采用的工具为ANSYS/LS-DYNA。该程序是著名高度非线性有限元显式求解程序，主要用于分析结构在高速撞击、爆炸等动载荷下的动态响应，同时具有强大的流体功能，可进行流体－固体耦合分析。
　　飞鸟在高速撞击时将产生强大压力，足以使金属材料发生变形和破坏。在这样的变形条件下，飞鸟的材料呈流体。ANSYS/LS-DYNA中的飞鸟材料采用流体动力材料，此种材料除定义一般材料性质如密度、粘度外，附加的状态方程用于定义其流体属性，如可压缩性、飞鸟破碎参数等。
　　以前，人们在进行鸟撞问题分析或实验时主要关注结构（飞行器）的变形和响应，对飞鸟变形过程不够重视，但事实上撞击载荷的大小不仅决定于飞鸟的动能，还与其流动过程以及破碎的时间密切相关。即正确描述飞鸟的流动和破碎过程对整个分析至关重要。以前的研究对此认识有欠缺。ANSYS/LS- DYNA提供两种方式描述飞鸟的流动和破碎：LAGRANGE（或ALE）单元、EULER单元；LAGRANGE（或ALE）的变形能力很大，足以描述与结构分离前的变形，而EULER单元可正确描述任意程度的变形，在图3-6的鸟撞过程模拟中，飞鸟即采用的EULER单元描述。

图3-6叶片的鸟撞过程模拟
　　ANSYS/LS-DYNA在处理飞鸟与飞行器的接触过程中亦提供两种方式：1.当采用LAGRANGE（或ALE）描述时，使用结构/结构接触算法；2.当采用EULER描述时，采用流体/结构耦合算法。
　　对于结构（飞行器），可使用ANSYS/LS-DYNA附加破坏算法的结构材料，例如弹性破坏材料（挡风玻璃）、弹塑性破坏材料（叶片、发动机外罩）或可考虑失效的叠层复合材料（机体、机翼）等。
　　在最新发布的DYNA7.0版本中加入了光顺质点流体动力算法（smooth-particle-hydrodynamics(SPH)），这种方法的特点是以一组质点定义相应物质，由于没有有限元网格，更易于描述飞鸟的变形和破碎过程，这些质点描述的物质具有拉格朗日属性。图3-7的叶片鸟撞过程即采用的这种方法。

图3-7叶片鸟撞过程模拟
　　Boeing公司为GulfstreamAerospaceGVBusimessJet(GV型湾流豪华公务机)的机翼前缘多个部位进行鸟撞模拟。最初的机翼结构设计造成内部横梁断裂，改进后的机翼满足标准FAR25.571(e)和JAR25.631的要求，图3-8为鸟撞过程。
　　采用LS-DYNA分析鸟撞过程，已经是相当成熟的技术。在LS-DYNA的全球年会论文中，关于鸟撞的研究文章每年都占一定比例，这些研究中分析了包括机翼、发动机叶片、安全罩等部件的鸟撞过程。

图3-8GV型湾流豪华公务机机翼前缘鸟撞模拟