飞机设计中的有限元分析需求——Abaqus在航空工业中的应用

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毪相设计中的有限元分析需求
——Ａｂａｑｕｓ在航空工业中的应用
■ＳｌＭＵＬＩＡ公司北京代表处赵友选
随着计算机技术的进步和有限元计算方法的日益完善，使
得有限元技术对飞机结构进行分析具有很大的优越性。

Ａｂａｑｕｓ软
件是一个功能强大灵活的模拟工程的有限元软件，其解决问题的
范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题以及多物理
场耦合问题，完全能满足飞机设计中对有限元分析的需求。

飞机总体设计中的应用
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．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。

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。

全机静强度分析
６２．中国制造业信息化２００８年１０月全机模态分析
飞机各子系统中的应用
机身
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．动力装置载荷以及其他载荷。

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Ａｂａｑｕｓ前处理内置多种标准梁断面库，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。

Ａｂａｑｕｓ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，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。

Ａｂａｑｕｓ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。

对机身的连接件还可以运用Ａｂａｑｕｓ的非线性功能进行塑性和接触等非线性分析。

某航空公司利用ＣＡＴＩＡ几何模型，直接在ＣＡＴＩＡ环境中通过Ａｂａｑｕｓ／ＡＦＣ．构建结构的仿真分析模型。

这样仿真分析模型和几何体之间实现关联．几何模型的修改将直接反映到仿真模型的变化。

再利用ＡＦＣ为结构添加复合材料．构建复杂的接触非线
性模型。

同时，利用Ａｂａｑｕｓ的非线性功能，对结构进行求解，可　万方数据
以得到结构的各种响应。

穿透；Ａｂａｑｕｓ／Ｖｉｅｗｅｒ直接支持后处理。

舱段
某飞机设计公司利用Ａｂａｑｕｓ子模型功能，对舱段的局部细
节进行分析，其中模型包括窗口、加强筋等细节。

用户可以利用
总体分析的位移和应力结果作为局部结构的边界条件，利用ＣＡＤ
模型构建子模型．对局部结构的网格重新划分．进而得到结构的
局部细节位移及应力分析结果。

机翼
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Ａｂａｑｕｓ提供的梁单元．杆单元，壳单元．三维实体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。

对机翼和机身的连接部件．机翼的固定件还可以运用Ａｂａｑｕｓ的非线性功能进行塑性和接触等非线性分析。

飞机中复合材料技术的应用
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将其专利技术一虚拟裂纹闭合技术（ＶＣＣＴ）商业化。

该技术可以帮助我们有效的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
利用ＶＣＣＴ计算复合材料的开裂
飞机起落架设计中的应用
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．着落，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Ａｂａｑｕｓ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．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是目前最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分析，飞行器起落架部件级动力分析。

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。

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２００８年１０月·ＷＷＷ
ｃｏｒｎ．６３　万方数据
飞机设计中的有限元分析需求——Abaqus在航空工业中的应
用
作者：赵友选
作者单位：SIMULIA公司北京代表处
刊名：
中国制造业信息化
英文刊名：MANUFACTURING INFORMATION ENGINEERING OF CHINA
年，卷(期)：2008(20)
1.朱自强.王晓璐.吴宗成.陈泽民数值模拟在飞机设计中的地位和应用[会议论文]-2006
2.张任远.黄俊.ZHANG Ren-yuan.HUANG Jun BLISS研究及其在飞机设计中的应用[期刊论文]-飞机设计2007,27(6)
3.锐锋科技为某飞机设计研究所提供结构强度试验平台/中国北方发动机研究所柴油发动机设计/仿真管理系统项目实施工作通过验收[期刊论文]-舰船科学技术2009,31(6)
4.韩德巍.冯德林.王洪伟CFD在Y12F飞机设计中的应用[会议论文]-2005
5.洪清泉Altair OptiStructruct:结构优化技术在飞机设计中的应用[期刊论文]-航空精密制造技术2010,46(1)
6.赵友选.Zhao Youxuan SIMULIA/Abaqus在航空工业中的应用[期刊论文]-航空制造技术2008(18)
7.王志栋尾吊布局飞机和发动机一体化设计研究[会议论文]-2004
8.高广达.徐燕申.姜慧.林汉元.柴宝莲.王威数控机床模块化虚拟设计平台的开发[会议论文]-2001
9.陈志伟.王智飞机疲劳寿命研究的实践与思考[会议论文]-2008
10.王磊.王正平.林思伟.WANG Lei.WANG Zheng-ping.LIN Si-wei飞机协同设计应用技术研究[期刊论文]-科学技术与工程2007,7(22)
本文链接：/Periodical_jxsjyzzgc200820025.aspx。