ANSYS在無人機設(shè)計中的應(yīng)用

1、1基于ANSYS的無人機設(shè)計的意義ANSYS軟件作為應(yīng)用有限元理論成功的大型CAE軟件之一，已經(jīng)滲透到各個工程領(lǐng)域。它既可以求解靜力學(xué)問題，也可以求解動力學(xué)問題；既可以求解固體 力學(xué)問題，也可以求解流體力學(xué)問題；既可以計算穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)問題，也可以處理瞬態(tài)時間響應(yīng)；應(yīng)用ANSYS/FESAFE模塊能進行壽命計算，特別是對發(fā)動 機和直升機的旋轉(zhuǎn)部件疲勞計算的作用尤為重要。隨著市場競爭的不斷加劇，對 無人機設(shè)計來說，一方面要提供滿足用戶需求的無人機，另一方面，產(chǎn)品投放市 場的周期要縮短；因此，對結(jié)構(gòu)設(shè)計人員來說，CAD/CAE 一體化設(shè)計是實現(xiàn)這兩個方面的保證之一。通過ANSYS軟件的分析技術(shù)，可以幫

2、助工程設(shè)計人員在 無人機設(shè)計定型或生產(chǎn)之前預(yù)測、仿真、計算無人機的性能，從而提高飛機的性 能質(zhì)量，降低設(shè)計成本，節(jié)約資金，縮短無人機投放市場的時間，提高競爭能力。基于ANSYS的無人機設(shè)計、分析，對無人機的重量、成本及性能都產(chǎn)生重要的影響。在無人機的設(shè)計中，應(yīng)用ANSYS軟件的有限元分析主要起到以下作用：減輕無人機的重量，提高壽命，實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計；提高無人機的飛行性能和可靠性；在無人機尚未生產(chǎn)出來前，在設(shè)計階段就可以預(yù)測飛機的性能，加快無人機的開發(fā)，縮短無人機交貨周期；提高新型號的設(shè)計效率，降低開發(fā)費用，降低研制成本，提高無人機產(chǎn)品的競爭力。2我所應(yīng)用ANSYS軟件現(xiàn)狀早期，我所無人機的分析工作

3、主要是通過外場試飛來校核設(shè)計效果。一方面，試 飛周期長，次數(shù)多，成本高。外場試飛受各種環(huán)境條件的影響，而且試飛后的數(shù)據(jù)分析和改進工作不是很直觀；另一方面，隨著CAE技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別在 航空產(chǎn)品制造領(lǐng)域，國際上一些大的飛機制造公司均采用了如ANSYS等通用的 大型分析軟件。國際上這些分析軟件具有很好的適用性和通用性，分析能力很強， 并已商品化。我們完全可以借鑒和利用國外先進的分析技術(shù)，引進、吸收、消化 一些國際上優(yōu)秀的通用大型分析軟件，使我們的飛機結(jié)構(gòu)分析水平有較高的起步，可以很好地與國際水平接軌?；谶@種情況，我所于2003年引進了 ANSYS軟件及其疲勞模塊FE-SAFE，并成立了“無人

4、機動態(tài)實驗室”，陸續(xù)開展了機翼靜強度分析、機身靜強度分析、起落架強度分析、直升機旋翼系統(tǒng)疲勞分析、直 升機旋翼槳葉動力學(xué)設(shè)計等工作，為我所的飛機設(shè)計和交裝解決了許多實際問 題。經(jīng)過幾年的工程實踐，證明我們當(dāng)初引進有限元分析軟件一ANSYS是正確的，基本上達到了預(yù)期目的，并且培養(yǎng)了一批技術(shù)骨干，鍛煉了隊伍。幾年來，我們 不僅取得技術(shù)上的進步，也取得了較好的經(jīng)濟效益。在以前分析能力比較低的時 候，結(jié)構(gòu)分析通常是非常被動地跟在結(jié)構(gòu)設(shè)計后面進行校核工作；自引進先進的ANSYS以后，我們的分析速度提高了，工作效率提高了，不僅可以完成基本的強度校核工作，還能夠開展和結(jié)構(gòu)設(shè)計同步的強度主動設(shè)計任務(wù)，通過強度

5、設(shè)計 工作的開展以及設(shè)計觀念上的改變，真正實現(xiàn)了并行工程設(shè)計思想。此外，我們正在開展“基于有限元理論的計算機輔助工程的研究與實現(xiàn)課題的研究，主要目的是使我所更多的飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計人員能掌握ANSYS軟件和CAE分析方法，初步實現(xiàn)我所基于ANSYS軟件的無人機強度分析規(guī)范和分析方法以及無人直升機強度分析規(guī)范和分析方法。通過這個課題的研究也初步嘗試基于我所局域網(wǎng)(intranet)并行工程設(shè)計和無圖紙設(shè)計方法，使我所無人機設(shè)計再上一個新的 臺階。3應(yīng)用ANSYS軟件的一些體會3.1基于ANSYS軟件的CAD/CAE無人機設(shè)計流程圖1基于ANSYS的CAD/CAE無人機設(shè)計流程3.2 ANSYS分析流程

6、對飛機結(jié)構(gòu)進行有限元分析，一般要經(jīng)過載荷分析、建立模型、確定邊界條件、 輸入材料特性、有限元計算等幾個主要環(huán)節(jié)。飛機在飛行中，除受到慣性力外，還要受到氣動力的影響；并且還隨著飛行狀況 和飛行條件的不同而所受的氣動力而不同；因此，在利用ANSYS軟件進行有限 元分析前，要對飛機的氣動載荷進行分析，確定傳力途徑和分析的狀況，同時根 據(jù)載荷的不同類型，確定有限元分析所采用的準(zhǔn)則和規(guī)范。由于無人飛機大量采用薄壁結(jié)構(gòu)，可以在ANSYS中對分析模型進行簡化建模； 對簡單的飛機部件結(jié)構(gòu)也可以在ANSYS中直接建立幾何模型，再生成有限元網(wǎng) 格，或者直接建立有限元模型。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，一般先用CAD軟件（如UG

7、、 CATIA等）建立幾何模型，通過ANSYS的接口程序，把CAD模型調(diào)入ANSYS 軟件，經(jīng)過修復(fù)，再生成有限元模型。在建立有限元模型過程中應(yīng)注意以下四點 1：1）模型簡化飛機幾何模型是飛機的設(shè)計構(gòu)圖，而有限元模型是原結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，它只需反 映結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。對無人機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)來說，如果要把描述飛機的任何一個細節(jié) 都作為分析模型，計算就會十分困難，甚至無法進行分析。因此，建立有限元模 型過程中最重要的一點是對原結(jié)構(gòu)進行合理簡化。要做到合理，就要求結(jié)構(gòu)分析 人員具備一定的力學(xué)知識、有限元知識和實際工作經(jīng)驗。2）網(wǎng)格劃分在網(wǎng)格劃分時，應(yīng)注意粗細得當(dāng)。結(jié)構(gòu)復(fù)雜、應(yīng)力水平較高或應(yīng)力集中的區(qū)域網(wǎng) 格劃

8、分應(yīng)盡量細些；結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)力水平較低的區(qū)域網(wǎng)格可以劃分粗些。此外， 在不影響求解精度的情況下，以盡量簡化分析模型為原則，如能用二維單元就不 使用三維單元，能使用低階單元就不使用高階單元。3）正確選用單元形式ANSYS單元形式非常多，而且每種單元類型又依據(jù)其節(jié)點數(shù)、邊界描述不同等 分作若干種類。那么針對具體的工程問題應(yīng)采用哪些單元呢？這是一個非常重要 的問題，選得好則問題迎刃而解，選擇不好，計算結(jié)果將不正確，甚至出現(xiàn)荒誕 的結(jié)果。像直升機結(jié)構(gòu)中框腹板采用剪切板單元較為合理，像主減架撐桿采用桿 單元，主槳葉采用梁單元，槳轂采用三維實體單元，硬殼式尾梁的蒙皮采用板殼 單元等等。對于一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)，像直

9、升機全機結(jié)構(gòu)一般要采用桿元、梁元、板元 等的組合形式，這時要注意節(jié)點自由度的協(xié)調(diào)。4）確定邊界邊界條件是對結(jié)構(gòu)固定方式的模擬。在對結(jié)構(gòu)進行分析時，要注意正確使用邊界 條件。尤其是對對稱結(jié)構(gòu)、反對稱結(jié)構(gòu)、循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)等進行分析時，應(yīng)特別注 意正確使用邊界條件。在處理結(jié)構(gòu)的邊界條件時，要注重使用MPC，它為我們提供了表達邊界條件的多種方式。如在處理鉸接（旋轉(zhuǎn)，萬向節(jié)）、滑動等情況時，MPC是強有力的工具。此外，還要考慮邊界條件對分析結(jié)果的影響。4成功應(yīng)用實例應(yīng)用ANSYS軟件對某型號無人機主翼梁進行強度校核2，提出改進方法。如 圖2（a），翼梁中部各連接筋出現(xiàn)較嚴(yán)重的塑性應(yīng)變，是設(shè)計中要特別重視的

10、地方。對此有必要進行結(jié)構(gòu)上的局部加強。圖2 (b)在一側(cè)螺栓孔處(受拉應(yīng)力側(cè))， 亦產(chǎn)生輕微塑變，不宜長期使用。HRs：-皆-qg囂M搭91: f H . K)上崖渠強度竹斷時心HRs： sn-i iFW .aiE jcrai L4 31I.DU.HRM.JiKr-j SUE TT3Hi-3加 3 .PMi)伽二IIJI代菱據(jù)翠 1LH崩二偵n i二藉k xr二Z.IEE i - - * - - - - - - _ % 膏.慎 L.i_./u主眼站強度訃析5展望與不足自從我所引進ANSYS軟件以來，雖然作了大量的工程分析工作，基于有限元理 論的CAE技術(shù)在我所無人機設(shè)計中也發(fā)揮了重要的作用，但

11、ANSYS軟件強大 的分析功能還沒有充分發(fā)揮出來，很多功能和模塊還沒有被充分開發(fā)和利用。分 析原因，主要有以下幾點： CAD/CAE 一體化技術(shù)的必要性和高效性還沒有被我所廣大的結(jié)構(gòu)設(shè)計人員所 充分認識。這與專業(yè)人員的宣傳與推廣不夠、軟件資源不足有關(guān)。應(yīng)用的范圍有待擴大，工程經(jīng)驗不足，如對無人直升機的旋翼粘彈性減擺器的 動力學(xué)等問題的分析。缺乏材料特性等有關(guān)數(shù)據(jù)，如國產(chǎn)復(fù)合材料的材料特性數(shù)據(jù)嚴(yán)重不足，制約了 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的分析。因此，有必要開展一些相關(guān)的復(fù)合材料性能試驗。軟件使用的范圍還不是很廣泛。一方面，由于任務(wù)重，工程技術(shù)人員沒有足夠 的精力花費在軟件上；另一方面，軟件的節(jié)點少，我所目前的工作站數(shù)量有限， 硬件條件