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ANSYS在飞机设计中的应用

时间:02-24 来源: 点击:

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3-6的鸟撞过程模拟中,飞鸟即采用的EULER单元描述。

叶片的鸟撞过程模拟

图3-6叶片的鸟撞过程模拟

  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。

  在最新发布的DYNA7.0版本中加入了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3-7的叶片鸟撞过程即采用的这种方法。

叶片鸟撞过程模拟

图3-7叶片鸟撞过程模拟

  Boeing公司为GulfstreamAerospaceGVBusimessJet(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FAR25.571(e)和JAR25.631的要求,图3-8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。

图3-8GV型湾流豪华公务机机翼前缘鸟撞模拟

图3-8GV型湾流豪华公务机机翼前缘鸟撞模拟

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