采用Abaqus FEA推動復合材料結構應用領域的發(fā)展

2017-04-15  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

歐洲航空研究咨詢委員會(ACARE)曾發(fā)布了一份展望未來20年空中旅行的報告。這份題為《歐洲航空——2020愿景》的報告制定了降低航空產業(yè)對環(huán)境影響的目標,提出了將航空器燃料消耗降低50%、二氧化碳排放降低50%、氮氧化物排放降低80%的要求。為了在2020年實現上述目標,飛機工程設計領域正在以極具競爭力的速度發(fā)展,積極設計重量更輕、燃料效率更高、飛行距離更遠的航空器。實現這些目標的一個重要策略就是采用創(chuàng)新型復合材料結構取代當前的金屬組件。

歐洲宇航防務集團(EADS)旗下眾多的業(yè)務實體及航空航天合作伙伴積極參與更環(huán)保、更清潔的商用航空器的開發(fā)。他們正通過統(tǒng)稱為EADS Innovation Works的技術能力中心的全球網絡,積極尋求為航空器設計帶來可持續(xù)性——逐一研究每個組件的各種途徑。

Tamas Havar博士是位于德國慕尼黑附近的EADS InnovationWorksite的專家,主要負責結構整合與機械系統(tǒng)部門的各種項目。他和他的團隊負責開發(fā)使用復合材料的新型航空器結構。Havar表示:“我們正在進行的分析計劃目標是集中精力開發(fā)創(chuàng)新型復合材料設計及制造方法,降低排量與制造成本?！?

作為德國聯邦經濟技術部航空研究計劃“LuFo IV-HIT”的一部分,Airbus High-LiftR&T 團隊領導來自不同EADS業(yè)務部門以及大學。

在航空應用中,增強型碳纖維(CFRP)預浸料通常是首選的復合材料。然而在此情況下,EADS工程設計團隊在考慮降低成本的同時,選擇了一種必需采用紡織復合材料的非熱壓罐成型工藝。此外,紡織復合材料還運用于 A380壓力艙壁板中,A380是空中客車迄今為止使用復合材料最多的機型。

設計復合材料航空結構的一個關鍵因素就是各部件如何連接至周邊航空器結構。襟翼等目前復合材料高升力結構通常采用金屬負載導入結構連接機翼。這些提供故障安全設計的結構會導致機身重量加大和制造成本上升。此外,金屬和所連接的復合材料部件之間也存在著熱系數差異。另一方面,復合材料負載導入結構也允許損傷容限設計,因為一處鋪層破損可由其它完好的鋪層補償。此外,采用復合材料還可消除導熱負載問題,因為高升力和負載導入結構均采用相同的復合材料。

EADS Innovation Works團隊選用了Abaqus FEA對其復合材料LIR進行設計分析。Havar表示:“Abaqus是我們青睞的非線性求解器。它具備強大的復合材料分析功能,特別適合分析諸如我們LIR研究中所涉及的3D單元?！盇baqus FEA可用于EADS產品設計生命周期中的整個流程。在概念階段可用于縮小設計方案,在初步設計階段可用于設計首選概念,而在最后或詳細設計階段則可用于確保滿足所有規(guī)范要求。

新型復合材料LIR不但包括提供整體吊耳的驅動翼肋,這些吊耳可固定襟翼驅動器,而且還包括可將裝配組件固定在襟翼蒙皮的鉚釘(見圖1)。該團隊的目標是簡化LIR復雜的幾何預成型,以便在除了預成型相對簡單和低成本的地方之外確保其厚度一致,從而降低制造成本。該團隊的解決方案是采用LIR 配置文件實現預成型鋪放的自動化,從而最大限度降低了制造成本。

圖1 具有驅動翼肋

要建模新的設計方案,EADS團隊不得不考慮復合材料結構的復雜性,包括從4~10mm不等的厚度變化、鋪層下陷和倒棱處附加樹脂、在圓角處使用襯料等。Havar指出:“考慮到復合材料自身的變量,我們應采用3D單元計算復合材料負載導入,并對所有應力組件進行準確分析。由于復合材料負載導入經常發(fā)生層離問題,因此我們必須關注橫向剪切和剝離應力?！?

考慮到上述因素,EADS工程設計團隊采用各種不同的Abaqus元件構造了LIR模型。就襟翼而言,他們采用了大約2萬個2D單元,而對LIR本身為了計算負載導入,他們使用了大約10萬個連續(xù)殼3D單元,包括復合材料鋪層的六面體單元(每個單元4~8層,每層具有各向異性特性,支持3D元件方位)以及鋪層下陷處的五面體單元等。各向同性特性應用于樹脂基體。綜上所述,LIR模型可提供大約45萬個自由度(DOF)(見圖2)。

圖2 LIR與周邊襟翼及機翼結構的模型

此外,工程設計團隊還必需演示裝配中使用的324個鉚釘,其可將LIR與周邊結構固定起來,并能夠承受負載。Havar指出:“這不僅取決于所固定的結構,而且還取決于鉚釘材料及其本身的尺寸?！睘榱藢崿F這一點,每個鉚釘都采用部件之間的彈性連接器建模。在一側,鉚釘固定在復合材料襟翼蒙皮上,另一側其采用多點約束(MPC)固定,從而可在不同的蒙皮厚度上分配負載。分析得到的連接載荷用來計算蒙皮擠壓實效和鉚釘斷裂的安全系數。

為了完成LIR分析,EADS團隊還使用Abaqus隱式求解器和后處理法計算了一些載荷工況。在上述情境中,襟翼固定在賦予梁單元的邊界處,來模擬試驗模型條件下在端部約束3個平移自由度。對于某些載荷工況,外側端的梁單元被對稱平移,在襟翼上產生了額外的扭力。該分析獲得了層內失效(在復合材料鋪層中)和層間實效(鋪層間)以及鉚釘及吊耳負載結果。

圖3 FEA結果顯示的復合材料纖維方向的應力

復合材料分析的積極結果

如果復合材料對設計未來更環(huán)保、更清潔的可持續(xù)性航空器非常重要,其具有更輕的重量、更高的燃料效率以及更少的排量,那么EADS合材料分析的結果就對各方面產生了積極的影響。對于LIR而言,面內及橫向應力分量在新型復合材料設計容限之內(見圖3);對于所有鉚釘而言,連接LIR與周邊結構的強度性能系數都已達標或超額達標;而對于復合材料吊耳而言,性能也在行業(yè)安全規(guī)范范圍之內(見圖4)。

圖4 FEA結果顯示的吊耳上的最大局部應力

ADS希望在航空器設計中整合更多的復合材料結構,因此毫無疑問,Innovation Works Lightweight Design團隊將忙于開展一系列FEA項目。在設計工程師和FEA軟件開發(fā)人員合作應對分析挑戰(zhàn)之際,復合材料也勢必將成為更環(huán)保新型航空器的重要組成部分。相信在不久的將來您將登上這樣的航班。

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