Abaqus在航空復材技術中的應用

2017-01-20 by:CAE仿真在線來源:互聯網

Abaqus是國際著名的CAE 軟件,它以解決實際工業問題能力和強大的非線性功能贏得廣泛聲譽。航空工業是Abaqus 最重要的應用領域之一,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、接觸連接、金屬塑性等,在所有的CAE 軟件中,Abaqus 是非常有優勢的。

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新型客機的設計大量引入復合材料,以減輕結構的重量,減少油耗,提高經濟性。復合材料的大量應用對技術提出新的挑戰,新材料導致新的挑戰具體包括: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。

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——虛擬裂紋閉合技術 (VCCT) 商業化。該技術可以幫助我們有效地分析復合材料結構的斷裂和分層問題。通過Abaqus 實現VCCT技術的優勢在于:不需要重新進行網格劃分或重新分析;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節,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 是最優秀的隱式求解器模塊,可以求解系統級的非線性結構靜力學問題,Abaqus/Explicit 是目前非常好的顯式求解器模塊,可以求解瞬態動力沖擊仿真程序,可對著陸過程進行沖擊分析、機構運動分析、失穩分析、損傷容限分析,從而實現對起落架的優化設計。

起落架在載荷上要承受強沖擊載荷,在結構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。可以實現起落架的統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合,可獲得常規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,為提高工件的加工質量、選取設備噸級、制定合理的工藝過程提供依據。

Abaqus/Explicit可以方便地定義大量的接觸,含有多種塑性、熱塑性、超彈性等材料本構模型,具有適應性網格等特殊分析功能,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模,在PC機上運行5 ~20h 能得到理想結果,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、線性和非線性靜態和瞬態應力、失穩分析、飛鳥和飛機的撞擊、總體氣動性能、飛機和發動機的氣動匹配,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和振型計算。Abaqus可考慮多種因素對模態和振型的影響,可以準確地計算出飛行器在各種條件下的模態和振型。

通常,飛機機身有大量的連接,如鉚接/焊接/粘結等結構,這些結構的處理是總體分析中極為重要但又難以處理的問題,Abaqus為處理各種連接結構提供了方便的功能,如網格無關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、粘結等各種功能;另一方面顯示求解方法在振動等瞬態分析中容易處理復雜的接觸問題等因素。