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(多图) ANSYS在飞机设计中的应用(2)

ITEM?? 2011年02月18日 ?? 收藏0

  3.机翼

  机翼大致由蒙皮、翼肋、翼梁和墙、长珩等组成。机翼主体受到气动载荷、惯性载荷以及各连接点传来的集中载荷等类型的载荷。

  可以运用ANSYS提供的梁单元、杆单元、壳单元、三维实体单元、各向异性单元对机翼进行静力分析、动力响应分析(模态、颤振、抖振等)、失稳分析、损伤容限分析、结构优化设计。运用ANSYS流体分析功能可以先对机翼进行空气动力计算,然后将计算结果作为气动激励进一步计算分析机翼的动力响应。不同物理场的耦合分析正是ANSYS的一大特色。

机翼动力响应分析

图3-9机翼动力响应分析,用壳单元和实体单元来构造机翼的有限元模型

  对机翼和机身的连接部件、机翼的固定件还可以运用ANSYS的非线性功能进行塑性和接触等非线性分析。

  4.机身

  飞机机身结构,都是典型的薄壁结构,一般是由蒙皮、隔框、长珩等组成,承受的主要载荷有:

  气动载荷

  惯性载荷

  地面载荷

  动力装置载荷

  其他载荷

  机身骨架由梁组成,在传统的有限元软件中,梁单元的断面参数定义、模型检查、结果表示非常不方便。而ANSYS前处理内置11种标准梁断面库,并允许用户自定义不规则断面形状库,使繁琐的梁断面参数定义变得简单、方便,按真实断面形状显示梁单元,使模型表示及检查更加容易,后处理中按断面形状显示求解结果、按拉正压负的工程习惯绘制彩色弯矩图,使结果的表达更加直观。

  ANSYS强大而方便的建模及载荷处理功能,丰富的梁单元、杆单元、壳单元、三维实体单元、各向异性单元,可方便、准确地对机身进行静力分析、动力响应分析(模态、颤振等)、失稳分析、损伤容限分析、结构优化设计。

  ANSYS的热-结构耦合分析功能可以对机身进行温度场计算以及热应力和热变形计算。

  ANSYS的计算流体力学分析功能可以对机身进行空气动力学计算,移动壁面的功能可以方便地模拟机身的飞行状态,给出高速飞行中机身的空气动力状况。利用ANSYS的流-固耦合功能可以进一步进行机身的动力响应分析。

非线性分析

图3-10

  对机身的固定件还可以运用ANSYS的非线性功能进行塑性和接触等非线性分析。

  Boeing公司采用ANSYS程序来分析波音737飞机的主起落架伺服机构的前后端轴承,以确定过渡圆角半径和销钉厚度。图3-10是一个轴承的有限元模型,蓝色单元表示轴承,紫色单元表示安装轴承的轴。

  5.起落架

  在飞机设计里,起落装置的设计是十分重要的环节,为了保证飞机的安全起飞、着陆,要求起落架具有足够的强度、刚度与冲击性能。为了使飞行器离地后具有良好的性能,还要求起落架应足够的轻。

轮胎与地面碰撞的仿真分析

图3-11轮胎与地面碰撞的仿真分析

  可以运用ANSYS提供的多种单元对起落架进行静力分析、动力响应分析,飞机着陆过程是典型的冲击类问题,ANSYS显式求解模块ANSYS/LS-DYNA是目前最好的动力冲击仿真程序,可对着陆过程进行冲击分析、失稳分析、损伤容限分析,从而实现对起落架的优化设计。

  起落架在载荷上要承受强冲击载荷,在结构上又有高阻尼缓冲元件,因此起落架的分析是高度非线性分析,ANSYS的组合单元(滑动、摩擦、间隙、阻尼、弹簧组合)、矩阵单元可方便地模拟多种阻尼缓冲件的静、动力特性,因此在起落架的分析中可以考虑进所有的主要因素。

  6.飞机操纵系统

  对飞机操纵系统的机械部分,同样可以运用ANSYS的分析计算功能进行各种分析。例如ANSYS中特有的安全带单元,可以模拟在紧急状况下安全部件对乘员的保护过程。

  Boeing公司运用ANSYS分析Boeing747坐椅的受力情况,提高了安全性。图3-12为Boeing747飞机内坐椅的布置,图3-13为坐椅的应力云图。

飞机内坐椅的布置

图3-12图3-13

  7.飞机零部件加工过程工艺仿真

  飞机零部件中有大量的冲压件、锻件、铸件,这些加工过程涉及冲击类载荷、几何非线性、接触非线性的塑性大变形过程,ANSYS的非线性分析及优化功能可获得常规方法难以获得的金属成型过程中的温度场、应力场、应变场,为提高工件的加工质量、选取设备吨级、制定合理的工艺过程提供依据。

  ANSYS/LS-DYNA具有30多种接触、热接触类型,含有多种塑性、热塑性材料本构模式,对物质大变形有Lagrange、ALE及Euler三种描述方式,因而被广泛应用于金属加工过程的模拟。

  LS-DYNA时间积分器采用中心差分格式,对未知量显式求解。由于质量矩阵进行对角化处理,可进一步加快求解速度。一般的冲压、锻压、铸造等问题合理控制有限元规模,在PC机上运行5-20小时能得到理想结果,这样的效率是其它程序难以相比的。


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