飞机结构分析与设计培训课件

有限元素法是将一个形状复杂的 连续体分解为有限个形状简单的子区 域，即将一个连续体简化为由有限个 单元组成的等效组合体，把求解连续 体的场变量（应力、位移等）问题简 化为求解有限个单元节点上的场变量 值。
全机有限元计算模型
机翼、机身计算模型
它是一种近似数值分析方法，因 为其求解的基本方程是一个代数方程 组，而不是描述真实连续体场变量的 微分方程组。
• 飞机结构设计必须保证结构有良好的安全可靠性。 随着科学技术的发展，飞机结构设计的准则、要 求、方法和内容均有很大的发展。
飞机结构设计思想发展过程
20世纪 / 40年代
只考虑强度、刚 度设计→静、动 强度设计
/ 50、60年代
静强度、动强 度和疲劳安全 寿命设计
/ 70年代
破损安全、耐 久性、损伤容 限设计等要求
能够模拟实际结构的主要力学状态，并尽可能减少模拟 误差。 这一原则从三方面把握：
1. 结构的力学特征：抓住主要矛盾，选取合适单元 2. 载荷模拟 ：确定载荷的性质和量值 3. 支承模拟 ：即边界条件的确定，但较困难
四、有限元软件
有限元法通用软件的结构
几何参数 材料性能 载荷 边界条件
有限元模型 前置处理
目前
保证结构的 完整性
12.1 飞机结构设计思想的发展过程
静强度和刚度设阶段 强度、刚度、疲劳安全寿命设计阶段 强度、刚度、损伤容限和耐久性设计阶段 结构可靠性设计试用阶段
20世纪 / 40年代 / 50、60年代 / 70年代
只考虑强度、刚
度设计→静、动
强度设计
静强度、动强 破损安全、耐
的设计方法和技术
1. 有限元素法 2. 结构优化设计 3. 数字化设计（自学） 4. 多学科设计优化（自学）
12.2.1 结构有限元分析
一、有限元素法在结构设计的作用 二、有限元素法的基本概念 三、有限元模型化原则 四、有限元软件
一、有限元素法在结构设计的作用
➢ 结构设计的具体过程：
结构的失效判据
➢ 结构优化设计的思想 ➢ 优化设计方法的发展
一、优化设计的数学模型 二、优化方法 三、结构优化设计软件
基本概念 数学模型 优化方法分类 飞机结构优化数学模型
12.2.2 结构优化设计
➢ 结构优化设计的思想：
在满足规定的条件（包括强度、刚度、损伤容限、可 靠性和使用寿命等）下，使结构的重量和成本尽可能低。
➢ 优化设计方法的发展
过去 根据原准机、已有的 设计经验和一些简单 的分析方法进行设计
现 在：以现代力学和数学的 数值方法理论基础，以计算机 为工具，因此能够自动寻找满 足设计要求的优化设计方案
实例
结构内任意点处的 应力、应变分析
单元分析、 单元刚度方程
有限元法解题的步骤和过程图
影响有限元法计算精度的因素
1. 单元模型。如杆单元与梁单元，板单元与体单元。 2. 单元的剖分数量。如 应力集中处单元剖分密度要大。
开 孔 板 网 格 剖 分 图
3. 单元插值函数的选取。
三、有限元模型化原则
具体结构外 载荷、边界 条件等
结构的应力、 应变分析
评估结构 承载能力、 使用寿命、 可靠性等
修改、完 善设计， 制定试验 方案 等等
有限元素法
有限元分析在结 构设计中的作用
二、有限元素法的基本概念
有限元法的定义 单元 网格剖分 有限元法解题操
作的典型步骤 影响有限元法计
算精度的因素
有限元素法的定义
飞机结构分析与设计
第二讲
第12章的主要内容
结构设计思想的发展 现代结构设计方法简介
✓ 有限元素法 ✓ 结构优化设计 ✓ 数字化设计（自学） ✓ 多学科设计优化（自学）
重点掌握： ➢ 各种结构设计思想之间的差别； ➢ 各种设计方法的思想或原理。
第12章 飞机结构设计思想和方法
12.1 飞机结构设计思想的发源自文库过程
度和疲劳安全 久性、损伤容
寿命设计
限设计等要求
每种思想的（1）当时技术发展背景； （2）设计准则
目前
保证结构的 完整性
• 随着飞机性能的提高、新材料和新技术的应用，
现代飞机的结构越来越复杂，结构设计人员要掌 握现代科学技术的新成果，采用先进的设计方法 和技术，才能设计出成功的结构。
• 下面简要介绍几种以计算机技术为基础的重要
单元 单元的形式可以区分为
（1）按几何形状：一维、二维或三维； （2）按节点参数： Lagrange族（只包含场函数的节点值）
或Hermite族（还包含场函数导数的节点值）； （3）按插值函数：Lagrange多项式或Hermite多项式； （4）按单元坐标：笛卡儿坐标或自然坐标。
这些区分法在有限元素法的专门课程中会介绍，这里
简单介绍一下第一种分法的元素
网格剖分
有限元网格剖分应满足以下条件：
1. 单元之间不能相互重叠或分离，要与原结构的占有空 间相容。
2. 单元应精确逼近原结构。即：所有原结构的顶点都应 取为单元的顶点，所有网格的表面顶点都应落在原结 构表面，所有原结构的边和面都被单元的边和面所逼 近。
3. 单元的形状合理。每个单元应尽量趋近于正多边形或 正多面体，不能出现面积很小的二维尖角元或体积很 小的三维薄元。
网格剖分
4. 网格的密度分布合理。分析值变化梯度大的区域需要细 化网格。
5. 相临单元的边界相容，不能从一个单元的边或面的内部 产生另一个单元的顶点。
有限元法解体操作的典型步骤
单元 剖分
单元分析、 建立单元 刚度方程
结构整体分析、 组集总体刚度方
程 {F}=[K]{}
数值求解节点位
移: {}=[K]-1{F}
有限元 分析
有限元模型的建立 和数据输入阶段
数值计 算阶段
节点位移打印清单
应力值打印清单
后置 处理
位移图形显示 等参数线图形显示
单元彩色变化图
动态图形显示
结果的判读和评定阶段
目前国际上已开发出一些大型通用有限元软件，如： ADINA、MSC/NASTRAN、ANALYSIS、MARK、SAP 等
12.2.2 结构优化设计
模型化工作，就是把实际结构的力学问题化为一种能够 用有限元法求解的力学模型。建立合理的力学模型是有 限元法的关键。
不恰当的模型化会带来失真或误差，甚至导致计算失败。 好的计算模型要利用以往成功的经验，经过反复论证和
必要的试验才能产生。
有限元模型化原则
有限元模型化的最基本原则是： 必须确保这一力学模型