Abaqus在航空复材技术中的应用

2017-01-20 by:CAE仿真在线来源:互联网

Abaqus是国际著名的CAE 软件,它以解决实际工业问题能力和强大的非线性功能赢得广泛声誉。航空工业是Abaqus 最重要的应用领域之一,波音、空中客车、洛克希德·马丁等是其长期合作的用户。对航空工业很多复杂和特殊的问题,如疲劳断裂、复合材料损伤、起落架柔性机构、接触连接、金属塑性等,在所有的CAE 软件中,Abaqus 是非常有优势的。

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新型客机的设计大量引入复合材料,以减轻结构的重量,减少油耗,提高经济性。复合材料的大量应用对技术提出新的挑战,新材料导致新的挑战具体包括:材料的可用范围,如何进行新的材料测试以及需要新的分析技术。

借助于多层壳、实体壳及实体单元可以建立复杂的复合材料模型,这些单元允许叠加各向同性或各向异性材料层,材料方向允许变化。Abaqus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 失效准则等,用户也可以通过用户子程序来定义自己的失效准则,同时可以考虑纤维破裂、纤维屈曲、基体开裂、基体压溃等失效模式。Abaqus 的复合材料功能特别适合于大量应用复合材料的新型飞行器。

波音通过Abaqus 将其专利技术——虚拟裂纹闭合技术 (VCCT) 商业化。该技术可以帮助我们有效地分析复合材料结构的断裂和分层问题。通过Abaqus 实现VCCT技术的优势在于:不需要重新进行网格划分或重新分析;可以防止复合材料失效后的穿透;Abaqus/Viewer 直接支持后处理。

在飞机设计中,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、着落,要求起落架具有足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,Abaqus/Standard 是最优秀的隐式求解器模块,可以求解系统级的非线性结构静力学问题,Abaqus/Explicit 是目前非常好的显式求解器模块,可以求解瞬态动力冲击仿真程序,可对着陆过程进行冲击分析、机构运动分析、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,Abaqus 的连接器单元(滑动、摩擦、阻尼、弹簧组合)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。

Abaqus 可以利用统一的模型进行着陆过程的运动学、静力学、和动力学分析,提高了分析效率,减少了模型修改工作量。采用先进的算法,更容易处理各种复杂的非线性问题。可以实现起落架的统一有限元分析解决方案,包括飞行器起落架多体动力学分析、飞行器起落架部件级静力性、接触非线性的塑性大变形过程,Abaqus/Standard 和Abaqus /Explicit 的非线性分析功能及显式分析和隐式分析功能的完美结合,可获得常规方法难以获得的金属成形过程中的温度场、应力场、应变场及回弹量等工艺参数,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。

Abaqus/Explicit可以方便地定义大量的接触,含有多种塑性、热塑性、超弹性等材料本构模型,具有适应性网格等特殊分析功能,可以描述各种金属及非金属的大变形,因而被广泛应用于金属加工过程的模拟。

Abaqus/Explicit采用中心差分格式的时间积分方法,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 ~20h 能得到理想结果,这样的效率是其他程序难以相比的。

此外,在飞行器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、飞机和发动机的气动匹配,军用飞机的雷达反射特性以及红外辐射特性等。

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Abaqus强大的动力分析功能可以快速地进行模态和振型计算。Abaqus可考虑多种因素对模态和振型的影响,可以准确地计算出飞行器在各种条件下的模态和振型。

通常,飞机机身有大量的连接,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,Abaqus为处理各种连接结构提供了方便的功能,如网格无关的焊接定义和粘接单元等。同时Abaqus/Explicit为机身在振动、冲击等作用下的动力响应分析提供了有效的分析手段。一方面软件自身提供了铆接、焊接、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复杂的接触问题等因素。