飛機(jī)設(shè)計(jì)中ANSYS的應(yīng)用

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(hào)設(shè)計(jì)的要求，花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)，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(wèn)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(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析具有極大的優(yōu)越性。

　　ANSYS程序是一個(gè)功能強(qiáng)大靈活的設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化軟件包，它可以對(duì)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(chǎng)耦合功能可進(jìn)行諸如流體－固體耦合、熱－結(jié)構(gòu)c、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(duì)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(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(wèn)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(shuō)：“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(lái)之前，識(shí)別潛在的許多問(wèn)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3-1為控制器，圖3-2為變形，圖3-3為應(yīng)力。

　　1.總體

　　在飛機(jī)總體設(shè)計(jì)分析中要考慮的問(wèn)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(niǎo)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

圖3-4瑞士Pilatus飛機(jī)公司對(duì)PC—12飛機(jī)用ANSYS進(jìn)行了動(dòng)力響應(yīng)分析

　　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(duì)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。

　　借助于多層殼及實(shí)體單元（ANSYS共有九十九層的復(fù)合材料殼單元和實(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(guò)用戶子程序來(lái)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(wèn)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。

　　解決動(dòng)態(tài)撞擊問(wèn)題也是ANSYS的優(yōu)勢(shì)所在，通過(guò)ANSYS的分析計(jì)算可以得到真實(shí)的飛鳥(niǎo)和飛機(jī)的撞擊效果和合理的耐撞結(jié)構(gòu)，但要想通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得這樣的效果是不現(xiàn)實(shí)的，不僅耗費(fèi)無(wú)法承受的財(cái)力，而且設(shè)計(jì)周期也會(huì)很長(zhǎng)。

　　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。

圖3-5飛機(jī)事故模擬

　　ANSYS能方便地進(jìn)行失穩(wěn)分析。

　　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(wèn)題，而且由于采用的是有限元法進(jìn)行計(jì)算，所以對(duì)計(jì)算的結(jié)構(gòu)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(yīng)用”及第七章“ANSYS在航空航天器電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用”。

　　ANSYS具有強(qiáng)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(jì)算軍用飛機(jī)的雷達(dá)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(yīng)用”。

　　2.鳥(niǎo)撞

　　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(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(duì)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(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(jié)構(gòu)的過(guò)程發(fā)生在很短時(shí)間內(nèi)，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(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(zhǎng)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(guò)100毫秒。

　　由于鳥(niǎo)撞整個(gè)過(guò)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(duì)飛行器鳥(niǎo)撞研究時(shí)，采取方法是以應(yīng)用有限元技術(shù)模擬鳥(niǎo)撞為主，并輔以物理實(shí)驗(yàn)。

　　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(jié)構(gòu)大變形和破壞過(guò)程的描述

　　當(dāng)前，世界范圍內(nèi)對(duì)鳥(niǎo)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(niǎo)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(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(shù)等。

　　以前，人們?cè)谶M(jìn)行鳥(niǎo)撞問(wèn)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(duì)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(duì)整個(gè)分析至關(guān)重要。以前的研究對(duì)此認(rèn)識(shí)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(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(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(duì)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。

　　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(yīng)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(jī))的機(jī)翼前緣多個(gè)部位進(jìn)行鳥(niǎo)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)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(dāng)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(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)機(jī)翼前緣鳥(niǎo)撞模擬