飛機設計中ANSYS的應用

飛機一般由機翼、機身、起落架和飛機操作系統組成，其結構受力復雜，用以往的經(jīng)典工程分析進(jìn)行應力分析已滿(mǎn)足不了現代飛機型號設計的要求，花費的時(shí)間長(cháng)，分析的部位具有局限性。隨著(zhù)大型計算機及工作站的出現和大量工程應用軟件的投入使用，使得復雜的工程問(wèn)題得以用有限元法進(jìn)行分析。從而使航空結構分析走上CAE的道路。使用有限元對飛機結構進(jìn)行分析具有極大的優(yōu)越性。

　　ANSYS程序是一個(gè)功能強大靈活的設計分析及優(yōu)化軟件包，它可以對飛機的各大部件如機身、機翼、舵面、發(fā)動(dòng)機短艙、氣密艙、起落架等進(jìn)行常規的結構分析、熱分析、空氣動(dòng)力分析、電磁分析，而且其強大的多物理場(chǎng)耦合功能可進(jìn)行諸如流體－固體耦合、熱－結構c、磁－結構耦合以及電－磁－流體－熱- 結構耦合分析，完全能滿(mǎn)足飛機設計中對有限元分析的需求。

圖3-1圖3-2圖3-3

　　位于紐約州的奧歐拉市的穆格公司，設計軍用飛機在高振動(dòng)條件下工作的馬達控制器，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)扇及其它結構。為了在實(shí)驗前揭露潛在的設計問(wèn)題，以避免鑒定階段的重復設計，采用ANSYS進(jìn)行了隨機振動(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(lái)之前，識別潛在的許多問(wèn)題，我們很高興在幾何與載荷都如此復雜的水準上進(jìn)行這個(gè)工作。”圖3-1為控制器，圖3-2為變形，圖3-3為應力。

　　1.總體

　　在飛機總體設計分析中要考慮的問(wèn)題有：

　　頻率和振型

　　線(xiàn)性和非線(xiàn)性靜態(tài)和瞬態(tài)應力

　　失穩分析

　　飛鳥(niǎo)和飛機的撞擊

　　總體氣動(dòng)性能

　　飛機、發(fā)動(dòng)機的氣動(dòng)匹配

　　軍用飛機的雷達反射特性以及紅外輻射特性

圖3-4瑞士Pilatus飛機公司對PC—12飛機用ANSYS進(jìn)行了動(dòng)力響應分析

　　ANSYS強大的動(dòng)力響應分析功能可以快速地進(jìn)行模態(tài)和振型計算。ANSYS可考慮許多因素對模態(tài)和振型的影響，可以準確地計算出飛機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共有九十九層的復合材料殼單元和實(shí)體單元）能建立復合材料模型，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提供的失效準則有最大應變失效準則、最大應力失效準則和Tsai—Wu失效準則，用戶(hù)也可以通過(guò)用戶(hù)子程序來(lái)定義自己的失效準則。ANSYS的復合材料功能特別適合于有大量復合材料的飛機系統。

　　通常,飛機機身有大量的聯(lián)接,如鉚接/焊接/粘結等結構,這些結構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 為機身在振動(dòng)、沖擊等作用下的動(dòng)力相應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)勢所在，通過(guò)ANSYS的分析計算可以得到真實(shí)的飛鳥(niǎo)和飛機的撞擊效果和合理的耐撞結構，但要想通過(guò)實(shí)驗來(lái)獲得這樣的效果是不現實(shí)的，不僅耗費無(wú)法承受的財力，而且設計周期也會(huì )很長(cháng)。

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

圖3-5飛機事故模擬

　　ANSYS能方便地進(jìn)行失穩分析。

　　ANSYS的計算流體力學(xué)分析可以分析從低速到高超音速、從穩態(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)行計算，所以對計算的結構形式?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)分析中的應用”及第七章“ANSYS在航空航天器電子產(chǎn)品熱設計中的應用”。

　　ANSYS具有強大的電磁場(chǎng)分析功能，加上其熱輻射分析能力，可以很方便地計算軍用飛機的雷達和紅外隱身特性，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用”。

　　2.鳥(niǎo)撞

　　已有的實(shí)驗證明，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)，其相對飛行速度為100-300米/秒與飛機相撞，足以使飛機的擋風(fēng)玻璃、機體、發(fā)動(dòng)機葉片或外罩等嚴重變形或破碎，從而造成災難，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)在撞擊結構的過(guò)程發(fā)生在很短時(shí)間內，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，結構亦將產(chǎn)生大變形，甚至發(fā)生破壞，例如擋風(fēng)玻璃破碎、機體穿透、發(fā)動(dòng)機葉片斷裂等。同時(shí)，結構的動(dòng)態(tài)響應將在較長(cháng)時(shí)間內持續發(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)間內完成，一般物理實(shí)驗費用昂貴而且難于提供足夠的信息，因此，目前在對飛行器鳥(niǎo)撞研究時(shí)，采取方法是以應用有限元技術(shù)模擬鳥(niǎo)撞為主，并輔以物理實(shí)驗。

　　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

　　飛行器結構大變形和破壞過(guò)程的描述

　　當前，世界范圍內對鳥(niǎo)撞進(jìn)行分析廣泛采用的工具為ANSYS/LS-DYNA。該程序是著(zhù)名高度非線(xiàn)性有限元顯式求解程序，主要用于分析結構在高速撞擊、爆炸等動(dòng)載荷下的動(dòng)態(tài)響應，同時(shí)具有強大的流體功能，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)破碎參數等。

　　以前，人們在進(jìn)行鳥(niǎo)撞問(wèn)題分析或實(shí)驗時(shí)主要關(guān)注結構（飛行器）的變形和響應，對飛鳥(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)程對整個(gè)分析至關(guān)重要。以前的研究對此認識有欠缺。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，足以描述與結構分離前的變形，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.當采用LAGRANGE（或ALE）描述時(shí)，使用結構/結構接觸算法；2.當采用EULER描述時(shí)，采用流體/結構耦合算法。

　　對于結構（飛行器），可使用ANSYS/LS-DYNA附加破壞算法的結構材料，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)機外罩）或可考慮失效的疊層復合材料（機體、機翼）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)的機翼前緣多個(gè)部位進(jìn)行鳥(niǎo)撞模擬。最初的機翼結構設計造成內部橫梁斷裂，改進(jìn)后的機翼滿(mǎn)足標準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翼、發(fā)動(dòng)機葉片、安全罩等部件的鳥(niǎo)撞過(guò)程。

圖3-8GV型灣流豪華公務(wù)機機翼前緣鳥(niǎo)撞模擬