Abaqus在航空復(fù)材技術(shù)中的應(yīng)用

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

Abaqus是國(guó)際著名的CAE 軟件,它以解決實(shí)際工業(yè)問(wèn)題能力和強(qiáng)大的非線性功能贏得廣泛聲譽(yù)。航空工業(yè)是Abaqus 最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一,波音、空中客車(chē)、洛克希德·馬丁等是其長(zhǎng)期合作的用戶(hù)。對(duì)航空工業(yè)很多復(fù)雜和特殊的問(wèn)題,如疲勞斷裂、復(fù)合材料損傷、起落架柔性機(jī)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(shì)的。

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新型客機(jī)的設(shè)計(jì)大量引入復(fù)合材料,以減輕結(jié)構(gòu)的重量,減少油耗,提高經(jīng)濟(jì)性。復(fù)合材料的大量應(yīng)用對(duì)技術(shù)提出新的挑戰(zhàn),新材料導(dǎo)致新的挑戰(zhàn)具體包括:材料的可用范圍,如何進(jìn)行新的材料測(cè)試以及需要新的分析技術(shù)。

借助于多層殼、實(shí)體殼及實(shí)體單元可以建立復(fù)雜的復(fù)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(zhǔn)則有最大應(yīng)變失效準(zhǔn)則、最大應(yīng)力失效準(zhǔn)則和Tsai-Wu 失效準(zhǔn)則等,用戶(hù)也可以通過(guò)用戶(hù)子程序來(lái)定義自己的失效準(zhǔn)則,同時(shí)可以考慮纖維破裂、纖維屈曲、基體開(kāi)裂、基體壓潰等失效模式。Abaqus 的復(fù)合材料功能特別適合于大量應(yīng)用復(fù)合材料的新型飛行器。

波音通過(guò)Abaqus 將其專(zhuān)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)的斷裂和分層問(wèn)題。通過(guò)Abaqus 實(shí)現(xiàn)VCCT技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于:不需要重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分或重新分析;可以防止復(fù)合材料失效后的穿透;Abaqus/Viewer 直接支持后處理。

在飛機(jī)設(shè)計(jì)中,起落裝置的設(shè)計(jì)是十分重要的環(huán)節(jié),為了保證飛機(jī)的安全起飛、著落,要求起落架具有足單元對(duì)起落架進(jìn)行靜力分析、動(dòng)力響應(yīng)分析,飛機(jī)著陸過(guò)程是典型的沖擊類(lèi)問(wèn)題,Abaqus/Standard 是最優(yōu)秀的隱式求解器模塊,可以求解系統(tǒng)級(jí)的非線性結(jié)構(gòu)靜力學(xué)問(wèn)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(dòng)力沖擊仿真程序,可對(duì)著陸過(guò)程進(jìn)行沖擊分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、失穩(wěn)分析、損傷容限分析,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)起落架的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

起落架在載荷上要承受強(qiáng)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(dòng)、摩擦、阻尼、彈簧組合)可方便地模擬多種阻尼緩沖件的靜、動(dòng)力特性,因此在起落架的分析中可以考慮進(jìn)所有的主要因素。

Abaqus 可以利用統(tǒng)一的模型進(jìn)行著陸過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、和動(dòng)力學(xué)分析,提高了分析效率,減少了模型修改工作量。采用先進(jìn)的算法,更容易處理各種復(fù)雜的非線性問(wèn)題?？梢詫?shí)現(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(dòng)力學(xué)分析、飛行器起落架部件級(jí)靜力性、接觸非線性的塑性大變形過(guò)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(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)及回彈量等工藝參數(shù),為提高工件的加工質(zhì)量、選取設(shè)備噸級(jí)、制定合理的工藝過(guò)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(yīng)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(yīng)用于金屬加工過(guò)程的模擬。

Abaqus/Explicit采用中心差分格式的時(shí)間積分方法,對(duì)未知量顯式求解。由于質(zhì)量矩陣進(jìn)行對(duì)角化處理,可進(jìn)一步加快求解速度。一般的沖壓、鍛壓、鑄造等問(wèn)題合理控制有限元規(guī)模,在PC機(jī)上運(yùn)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(shè)計(jì)分析中要考慮的問(wèn)題有:頻率和振型、線性和非線性靜態(tài)和瞬態(tài)應(yīng)力、失穩(wěn)分析、飛鳥(niǎo)和飛機(jī)的撞擊、總體氣動(dòng)性能、飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)匹配,軍用飛機(jī)的雷達(dá)反射特性以及紅外輻射特性等。

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Abaqus強(qiáng)大的動(dòng)力分析功能可以快速地進(jìn)行模態(tài)和振型計(jì)算。Abaqus可考慮多種因素對(duì)模態(tài)和振型的影響,可以準(zhǔn)確地計(jì)算出飛行器在各種條件下的模態(tài)和振型。

通常,飛機(jī)機(jī)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(wèn)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(wú)關(guān)的焊接定義和粘接單元等。同時(shí)Abaqus/Explicit為機(jī)身在振動(dòng)、沖擊等作用下的動(dòng)力響應(yīng)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(dòng)等瞬態(tài)分析中容易處理復(fù)雜的接觸問(wèn)題等因素。