Abaqus在航空復材技術(shù)中的應用

2017-01-20 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

Abaqus是國際著名的CAE 軟件,它以解決實際工業(yè)問題能力和強大的非線性功能贏得廣泛聲譽。航空工業(yè)是Abaqus 最重要的應用領(lǐng)域之一,波音、空中客車、洛克希德·馬丁等是其長期合作的用戶。對航空工業(yè)很多復雜和特殊的問題,如疲勞斷裂、復合材料損傷、起落架柔性機構(gòu)、接觸連接、金屬塑性等,在所有的CAE 軟件中,Abaqus 是非常有優(yōu)勢的。

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新型客機的設計大量引入復合材料,以減輕結(jié)構(gòu)的重量,減少油耗,提高經(jīng)濟性。復合材料的大量應用對技術(shù)提出新的挑戰(zhàn),新材料導致新的挑戰(zhàn)具體包括:材料的可用范圍,如何進行新的材料測試以及需要新的分析技術(shù)。

借助于多層殼、實體殼及實體單元可以建立復雜的復合材料模型,這些單元允許疊加各向同性或各向異性材料層,材料方向允許變化。Abaqus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 失效準則等,用戶也可以通過用戶子程序來定義自己的失效準則,同時可以考慮纖維破裂、纖維屈曲、基體開裂、基體壓潰等失效模式。Abaqus 的復合材料功能特別適合于大量應用復合材料的新型飛行器。

波音通過Abaqus 將其專利技術(shù)——虛擬裂紋閉合技術(shù) (VCCT) 商業(yè)化。該技術(shù)可以幫助我們有效地分析復合材料結(jié)構(gòu)的斷裂和分層問題。通過Abaqus 實現(xiàn)VCCT技術(shù)的優(yōu)勢在于:不需要重新進行網(wǎng)格劃分或重新分析;可以防止復合材料失效后的穿透;Abaqus/Viewer 直接支持后處理。

在飛機設計中,起落裝置的設計是十分重要的環(huán)節(jié),為了保證飛機的安全起飛、著落,要求起落架具有足單元對起落架進行靜力分析、動力響應分析,飛機著陸過程是典型的沖擊類問題,Abaqus/Standard 是最優(yōu)秀的隱式求解器模塊,可以求解系統(tǒng)級的非線性結(jié)構(gòu)靜力學問題,Abaqus/Explicit 是目前非常好的顯式求解器模塊,可以求解瞬態(tài)動力沖擊仿真程序,可對著陸過程進行沖擊分析、機構(gòu)運動分析、失穩(wěn)分析、損傷容限分析,從而實現(xiàn)對起落架的優(yōu)化設計。

起落架在載荷上要承受強沖擊載荷,在結(jié)構(gòu)上又有高阻尼緩沖元件,因此起落架的分析是高度非線性分析,Abaqus 的連接器單元(滑動、摩擦、阻尼、彈簧組合)可方便地模擬多種阻尼緩沖件的靜、動力特性,因此在起落架的分析中可以考慮進所有的主要因素。

Abaqus 可以利用統(tǒng)一的模型進行著陸過程的運動學、靜力學、和動力學分析,提高了分析效率,減少了模型修改工作量。采用先進的算法,更容易處理各種復雜的非線性問題?？梢詫崿F(xiàn)起落架的統(tǒng)一有限元分析解決方案,包括飛行器起落架多體動力學分析、飛行器起落架部件級靜力性、接觸非線性的塑性大變形過程,Abaqus/Standard 和Abaqus /Explicit 的非線性分析功能及顯式分析和隱式分析功能的完美結(jié)合,可獲得常規(guī)方法難以獲得的金屬成形過程中的溫度場、應力場、應變場及回彈量等工藝參數(shù),為提高工件的加工質(zhì)量、選取設備噸級、制定合理的工藝過程提供依據(jù)。

Abaqus/Explicit可以方便地定義大量的接觸,含有多種塑性、熱塑性、超彈性等材料本構(gòu)模型,具有適應性網(wǎng)格等特殊分析功能,可以描述各種金屬及非金屬的大變形,因而被廣泛應用于金屬加工過程的模擬。

Abaqus/Explicit采用中心差分格式的時間積分方法,對未知量顯式求解。由于質(zhì)量矩陣進行對角化處理,可進一步加快求解速度。一般的沖壓、鍛壓、鑄造等問題合理控制有限元規(guī)模,在PC機上運行5 ~20h 能得到理想結(jié)果,這樣的效率是其他程序難以相比的。

此外,在飛行器總體設計分析中要考慮的問題有:頻率和振型、線性和非線性靜態(tài)和瞬態(tài)應力、失穩(wěn)分析、飛鳥和飛機的撞擊、總體氣動性能、飛機和發(fā)動機的氣動匹配,軍用飛機的雷達反射特性以及紅外輻射特性等。

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Abaqus強大的動力分析功能可以快速地進行模態(tài)和振型計算。Abaqus可考慮多種因素對模態(tài)和振型的影響,可以準確地計算出飛行器在各種條件下的模態(tài)和振型。

通常,飛機機身有大量的連接,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題,Abaqus為處理各種連接結(jié)構(gòu)提供了方便的功能,如網(wǎng)格無關(guān)的焊接定義和粘接單元等。同時Abaqus/Explicit為機身在振動、沖擊等作用下的動力響應分析提供了有效的分析手段。一方面軟件自身提供了鉚接、焊接、粘結(jié)等各種功能;另一方面顯示求解方法在振動等瞬態(tài)分析中容易處理復雜的接觸問題等因素。