ANSYS对飞机仿真解决方案

2013-06-09  by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM  来源:仿真在线

第四章飞机仿真解决方案

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-结构耦合、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。

1.总体设计分析

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

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。

ANSYS提供的模态综合法为整机大模型的模态计算以及灵活的设计提供了方便。首先对各部件的分别分析,最后通过综合得到整机模态,使得整机的模态分析不受硬件性能限制。同时,对局部设计的修改之后的整机模态分析并不需要重新分析,只需修改后的部件进行重新分析便可得到精确的整机分析结果。

    借助于多层壳及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。

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具有强大的电磁场分析功能,可以很方便地计算军用飞机的雷达和隐身特性,详见第八章。

2.鸟撞问题

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4-2-1的鸟撞过程模拟中,飞鸟即采用的EULER单元描述。

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。

DYNA中有另一种算法很适合鸟撞问题仿真: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4-2-2的叶片鸟撞过程即采用的这种方法。

Boeing公司为Gulfstream Aerospace GV Busimess Jet(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FAR 25.571(e)和JAR 25.631的要求,图4-2-3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。

3.机翼设计分析

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。

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.机身设计分析

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。

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4-4-1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.起落架设计分析

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。

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4-6-1为Boeing747飞机内坐椅的布置,图4-6-2为坐椅的应力云图。

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4-6-3为控制器,图4-6-4为变形,图4-6-5为应力。

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。

冲压

ANSYS LS-DYNA是目前世界上应用最广泛的板成形仿真模拟软件,可良好地完成冲压、回弹全过程的模拟,模拟拉延、预弯、切边、弯曲、翻边、多工序加工,分析板料的减薄拉裂、起皱、回弹,优化模具几何形状、板料、冲压工艺,通过给定材料的FLD(flow limit dia.)判断板料在拉延过程中局部开裂现象。

LS-DYNA可用于板成形分析使用的单元有11种。用于板料成形的材料模式是各种弹塑性材料,可考虑各向异性、强化特征,强化类型包括指数强化、随动强化、等向强化、混合强化以及应变率对材料强化的影响。在DYNA30余种接触类型中,适于板成形分析的有12种,都采用罚函数方法(penalty),在接触计算过程中考虑壳单元厚度及其变化。进行板成形分析时可选择使用3D adaptive mesh功能,可在计算过程中对板料网格进行局部加密。

锻压

锻压过程是一个非线型大变形的热结构耦合的过程,材料在多数情况下经历较大的温度变化,为热塑性材料,ANSYS LS-DYNA中热塑性材料模型很适于描述锻压过程中的材料行为。

ANSYS LS-DYNA特有的单点积分、多点积分和缩减积分单元技术;良好地解决了大变形体积锁死问题,使得大变形非线性的分析具有良好的收敛特性,应力更新中采用Jaumann应力率,避免因刚体运动产生应力。在剪切变形较大时,可选择使用Green-Naphdi应力率。

在多数锻压分析中,若对材料采用Lagrange描述,则随着金属件成形过程的继续,初始网格的变形逐渐加大,将导致单元精度降低甚至发生畸变,因此必须进行网格重新划分,ANSYS LS-DYNA可以自动进行网格重划分。值得说明的是,ANSYS LS-DYNA早已采用一种更为先进的网格ALE,即任意拉格朗日-欧拉网格。ALE网格进行Rezoning的目的和过程与Remeshing基本相同,但两者的网格描述存在本质差异(后者是拉格朗日网格),ALE结合拉格朗日和欧拉网格各自的优点,已广泛用于结构材料的大变形。除此之外,LS-DYNA对物质的描述还可采用Euler方法,此方法的最大特点是物质与网格相互独立,可模拟材料的极度变形,同时时间步长不会因变形的增大而降低,即求解效率比Lagrange和ALE方法高。此外,采用Euler描述的另一优点是可实现锻压过程中的流体(如冷却水、气流等)耦合分析。

铸造

ANSYS LS-DYNA的Euler算法包括单物质欧拉和多物质欧拉求解。欧拉构形主要有三种:一阶精度的Donor Cell;二阶精度的Van Leer;二阶精度的Van Leer +Half Index Shift。多物质流体的单元构形主要有二种:流体+空材料和全空材料;多种材料的混合单元(压力平衡)。

这些模型都可以和通用的固体结构单元如solid、shell、brick和beam等单元自动耦合,不需要滑移界面。同时,此类求解器的加入,使ANSYS/LS-DYNA具有了可压缩流体流动分析的能力,可求解如自由界面流动、任意管道流动、流体混合、复合材料等的注塑成型、金属构件浇注成型、高速高压气体注入等复杂的流体和流体-结构耦合问题。

ANSYS LS-DYNA在进行浇注模拟时,模具的空腔定义为Euler区,并将其材料定义成空(void)或任何物质(如空气),浇口处单元定义为Euler源(Euler ambient),即物质由此进入Euler区,物质运动的动力是压力和(或)重力。

ANSYS LS-DYNA的流体介质定义为流体动力材料,单元的压力以及可压缩性由附带的状态方程(即压力方程)决定。随着物质由浇口流入Euler区,空腔和浇口的压力差逐渐降低,最终达到平衡,模拟即可终止。LS-DYNA中可方便施加温度边界条件和热生成,在浇注分析中可考虑热扩散。

浇注过程模拟完成后,可通过ANSYS隐式算法分析铸件的凝固过程。ANSYS的相变分析及热变形、热应力分析功能,可以模拟预测铸造过程中的变形及残余应力,考察不同的落沙条件,降低铸件内的残余应力。

PCC叶片制造公司,采用ANSYS分析某叶片的铸造过程,输入熵与温度关系,进行相变热分析,取得了很好的结果,为设计和生产提供了准确的信息。图4-7-4中红色部分表示仍然处在熔化状态,绿色表示已经冷却。

8.复合材料专题

复合材料技术已成为影响飞机发展的关键技术之一,该类材料逐渐应用于飞机等结构的主承力构件中,西方的先进战斗机上复合材料使用量已达结构重量的25%以上。因此,有必要详细讨论此类材料和结构的仿真问题。

飞机结构中,复合材料层合结构最常见的结构形式有板壳、实体、夹层、杆梁等结构。板壳结构如机翼蒙皮等,实体结构如结构连接件等,夹层结构如某些薄翼型和楔型结构,杆梁结构如梁、肋、壁板等。采用缠绕工艺制造的筒身结构也可视为层合结构的一种形式。

复合材料,是由两种或两种以上性质不同的材料组成。主要组分是增强材料和基体材料。复合材料保持了增强材料和基体材料本身的优点,而且通过各相组分性能的互补和关联,获得优异的性能,例如具有比强度、比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性、以及材料性能可设计的特点,应用于航空领域中,可以获得显著的减重效益,并可通过合理设计改善结构性能。

8.1复合材料设计分析与有限元方法

与金属材料不同,复合材料的材料不均匀性导致的各向异性和受力耦合效应,使得复合材料结构的计算分析工作要复杂许多。复合材料层合结构的设计,就是对铺层层数、铺层厚度及铺层角的设计。采用传统的等代设计(等刚度、等强度)、准网络设计等设计方法,复合材料的优异性能难以充分发挥。

在复合材料结构分析中,已经广泛采用有限元数值仿真分析。复合材料有限元方法的基本原理,在本质上与各向同性材料相同,只是离散方法和本构矩阵不同。复合材料有限元法中的离散化是双重的,包括了对结构的离散和沿厚度方向的每一铺层离散。这样的离散处理,可以使每一层的力学性能、铺层方向、以及其在层合板中的位置直接体现在整个复合材料结构的刚度矩阵中。

有限元分析软件,均基于复合材料的宏观有限元法,即把增强材料和基体复合在一起讨论结构的宏观力学行为,因此可以忽略复合材料的多相性导致的微观力学行为。在宏观有限元法中,以每一铺层为分析单元。

8.2ANSYS复合材料仿真技术及其在航空领域应用

复合材料具有各向异性、耦合效应、层间剪切等特殊性质,因此复合材料结构的精确仿真,已成为现代航空结构的迫切需求。

许多CAE程序都可以进行复合材料的分析,但是大多程序并没有提供完备的功能,使复合材料的精确仿真难以完成。如有些程序不提供非线性分析能力,有些不提供层间剪切应力的求解能力,有些不提供考虑材料失效破坏继续计算能力等等。

ANSYS是一款著名的商业化大型通用有限元软件,广泛应用于航空航天领域,为飞机结构中的复合材料层合结构分析提供了完整精确的解决方案。

8.2.1复合材料的有限元模型建立

针对飞机中的梁、板、实体等复合材料层合结构,ANSYS提供一系列的特殊单元——层单元,以模拟各种复合材料。

图4-8-1实体层合结构单元形式图4-8-2 板壳层合结构单元形式

复合材料板壳

ANSYS提供的板壳层合单元,是二次高阶单元,支持铺层数最多达250层以上,支持塑性、大应变、大变形等各种非线性分析功能和算法。另外,还可以定义飞机结构中常见的蜂窝/泡沫夹层结构。同时支持节点偏置,使不同厚度板壳相协调。

因此很适用于飞机结构中,各种复合材料薄壳和中厚壳的复合材料板壳结构。

复合材料实体

ANSYS提供的实体层单元,支持二次高阶单元,支持铺层数最多达250层以上,支持各种非线性功能和算法。适用于飞机结构中的厚壳、实体及连接件的结构分析。

复合材料梁

ANSYS提供的层合梁单元,则通过在截面上定义多层不同性质的材料,来模拟复合材料梁的层合结构。因此该类单元,适用于飞机结构中复合材料层合梁的整体分析。

若对梁翼缘与腹板的剪切应力、层间应力、局部屈曲失稳等更加关心,或腹板是正弦波型等特殊截面形式,则可使用板壳模型组成梁结构,以得出更精确具体的分析结果。

8.2.2复合材料的层合结构定义:

铺层结构:对于每一铺层定义材料性质、铺层角、铺层厚度。然后ANSYS通过由下到上的顺序逐层叠加组合为复合材料层合结构。另外,也可以通过直接输入材料本构矩阵来定义复合材料性质。

板壳和梁单元截面形状:利用截面形状工具可定义矩形、I型、槽型等各种形式。ANSYS还可以定义各种函数曲线以模拟变厚度截面。

    8.2.3特殊层合结构的模拟

变厚度板壳铺层切断:将切断的某铺层厚度定义为零,即可模拟铺层切断前后的板壳实际形状。(图4-8-3上)

不同铺层板壳的节点协调: ANSYS板壳层单元的节点均可偏置到任意位置,使不同铺层数板壳的节点在中面或顶面、底面对齐。(图4-8-3下)

    蜂窝/泡沫夹层结构:ANSYS通过板壳层单元来模拟夹层结构的特性,夹层面板和芯子可以是不同材料。(图4-8-4)

板-梁-实体组合结构:ANSYS将实体、板壳与梁等不同类型单元通过MPC技术相联系,不要求实体、板壳和梁单元的节点必须重合并协调,结构的网格划分变得轻松自如。

    8.2.4复合材料有限元模型的检查:

复合材料结构模型建立后,可以将板壳和梁单元显示为实际形状,还可以通过图形显示和列表直观地观察铺层厚度、铺层角度和铺层组合形式,方便模型的检查及校对。(图4-8-4)
8.2.5复合材料层合结构分析

ANSYS层单元支持各种静强度刚度、非线性、稳定性、疲劳断裂和振动特性等结构分析。完成分析后,可以图形显示或输出每个铺层及层间的应力和应变等结果(虽然一个单元包含许多铺层),根据这些结果可以判断结构是否失效破坏和满足设计要求。

8.2.6复合材料失效准则

用户可以采用ANSYS预定义的三种复合材料破坏准则来评价复合材料结构安全性。每种强度准则均可定义与温度相关以考虑温度影响。另外,用户也可自定义最多达六种的失效准则,对特殊复合材料进行失效判断。

最大应变失效准则和最大应力失效准则:ANSYS支持九个失效应变/应力。

Tsai-Wu(蔡-吴)失效准则:最为常用的复合材料失效准则。包含了更为全面的强度指标。 ANSYS预定义的Tsai-Wu准则允许有九个失效应力和三个附加的耦合系数。

8.2.7复合材料结构层间剪切应力

复合材料层合结构的层间抗剪强度,是结构的薄弱环节。层与层之间,几乎完全依靠层间界面的树脂基体承载,强度很低。而层间剪切应力一旦导致结构分层破坏,复合材料即可能提前失效。经典的层合板理论,各铺层按平面应力状态计算,不考虑层间应力。因而对复杂受力情况下的复合材料层合结构的分析,是不够精确的。

ANSYS的层单元,利用各铺层单元在厚度方向上叠加来模拟层合结构,每个铺层即为一个单元,则单元之间的剪切应力完全可以计算得出,因而可以精确地求解层间应力。

8.2.8复合材料结构热应力分析

复合材料热膨胀系数的各向异性和铺层方向的不对称造成的耦合效应,使复合材料结构即使均匀升温也会在结构内部产生热应力。复合材料这一特性与普通均匀材料大为不同,因此复合材料结构的热应力分析必须引起重视。

ANSYS的结构-热耦合分析,可以对复合材料在热环境下的热膨胀应力和结构固化成形过程中100℃~200℃的温差而引起的结构固化变形和残余应力进行分析。

ANSYS程序中的材料性质、强度准则均可以定义为随温度变化,以此来引入温度变化对结构物理性能的影响。

8.3复合材料结构屈曲失稳实例

8.3.1工程背景

飞机的复合材料结构中,板加筋结构形式最为常见,如壁板、隔框、翼盒等。通常,飞机的复合材料加筋板的厚度较薄,因此结构分析不仅仅是判断材料的失效破坏和层间剪切破坏,还应该关注结构是否屈曲失稳而破坏。

    利用ANSYS对某复合材料加筋板(图4-8-6)的屈曲特性进行分析,并确定结构的极限承载能力。该加筋板的筋与板之间并不垂直,夹角为7°。

复合材料板壳

ANSYS提供的板壳层合单元,是二次高阶单元,支持铺层数最多达250层以上,支持塑性、大应变、大变形等各种非线性分析功能和算法。另外,还可以定义飞机结构中常见的蜂窝/泡沫夹层结构。同时支持节点偏置,使不同厚度板壳相协调。

因此很适用于飞机结构中,各种复合材料薄壳和中厚壳的复合材料板壳结构。

复合材料实体

ANSYS提供的实体层单元,支持二次高阶单元,支持铺层数最多达250层以上,支持各种非线性功能和算法。适用于飞机结构中的厚壳、实体及连接件的结构分析。

复合材料梁

ANSYS提供的层合梁单元,则通过在截面上定义多层不同性质的材料,来模拟复合材料梁的层合结构。因此该类单元,适用于飞机结构中复合材料层合梁的整体分析。

若对梁翼缘与腹板的剪切应力、层间应力、局部屈曲失稳等更加关心,或腹板是正弦波型等特殊截面形式,则可使用板壳模型组成梁结构,以得出更精确具体的分析结果。

8.2.2复合材料的层合结构定义:

铺层结构:对于每一铺层定义材料性质、铺层角、铺层厚度。然后ANSYS通过由下到上的顺序逐层叠加组合为复合材料层合结构。另外,也可以通过直接输入材料本构矩阵来定义复合材料性质。

板壳和梁单元截面形状:利用截面形状工具可定义矩形、I型、槽型等各种形式。ANSYS还可以定义各种函数曲线以模拟变厚度截面。

    8.2.3特殊层合结构的模拟

变厚度板壳铺层切断:将切断的某铺层厚度定义为零,即可模拟铺层切断前后的板壳实际形状。(图4-8-3上)

不同铺层板壳的节点协调: ANSYS板壳层单元的节点均可偏置到任意位置,使不同铺层数板壳的节点在中面或顶面、底面对齐。(图4-8-3下)

    蜂窝/泡沫夹层结构:ANSYS通过板壳层单元来模拟夹层结构的特性,夹层面板和芯子可以是不同材料。(图4-8-4)

板-梁-实体组合结构:ANSYS将实体、板壳与梁等不同类型单元通过MPC技术相联系,不要求实体、板壳和梁单元的节点必须重合并协调,结构的网格划分变得轻松自如。

    8.2.4复合材料有限元模型的检查:

复合材料结构模型建立后,可以将板壳和梁单元显示为实际形状,还可以通过图形显示和列表直观地观察铺层厚度、铺层角度和铺层组合形式,方便模型的检查及校对。(图4-8-4)

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