hyperworks彈簧受力分析

彈簧受力分析摘要：新一代飛機(jī)的設(shè)計(jì)對(duì)性能有更高的要求，需要有新的性能設(shè)計(jì)平臺(tái)來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。Altair公司的HyｐｅrWorｋs在飛機(jī)結(jié)構(gòu)有限元建模,結(jié)構(gòu)優(yōu)化及減重,碰撞平安性分析,復(fù)合材料零部件設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真及優(yōu)化等領(lǐng)域的技術(shù)已經(jīng)被世界各大飛機(jī)制造商廣泛采納,成為事實(shí)上的現(xiàn)代飛機(jī)性能設(shè)計(jì)新平臺(tái)。

關(guān)鍵字：HyｐerＷo(hù)rｋsHｙｐerＭeｓhOptｉSｔｒucｔＲａｄiossMｏtｉoｎViewHｙpｅｒStudｙ飛機(jī)性能設(shè)計(jì)

近年來(lái)，以A38０，Ａ350,A４00M,Ｂ７８7，Ｆ３５為代表的新一代飛機(jī)，外形更大，重量更輕，飛得更遠(yuǎn)，載重量更大,機(jī)動(dòng)性更好,突發(fā)情況下更平安，燃油經(jīng)濟(jì)性更好,確立了飛機(jī)性能設(shè)計(jì)的新標(biāo)準(zhǔn),對(duì)現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)提出了一系列新的要求和挑戰(zhàn),需要有新的技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)。??結(jié)構(gòu)減重技術(shù):能夠清楚給出在給定設(shè)計(jì)空間內(nèi)的最佳材料分布和確定零部件尺寸、外形和位置，從而工程師有足夠的設(shè)計(jì)提示信息和依據(jù)，而不僅僅依靠閱歷來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì).??復(fù)合材料設(shè)計(jì)技術(shù)：能夠?qū)?fù)合材料零部件進(jìn)行建模、仿真和優(yōu)化，預(yù)估復(fù)合材料零部件的強(qiáng)度、剛度、破壞和疲乏特性，優(yōu)化復(fù)合材料的展層角度、展層外形、展層數(shù)目和展層疊加次序.?

系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù):能夠在概念設(shè)計(jì)階段優(yōu)化結(jié)構(gòu)傳力路徑和布局,削減設(shè)計(jì)后期風(fēng)險(xiǎn);能夠?qū)︼w機(jī)的性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，滿意各種設(shè)計(jì)指標(biāo)；能夠進(jìn)行多學(xué)科考慮，做到各子系統(tǒng)最優(yōu),總體系統(tǒng)也最優(yōu)。

?碰撞平安性分析技術(shù):能夠?qū)B(niǎo)撞、墜撞、水上迫降等工況進(jìn)行仿真，評(píng)估并改進(jìn)突發(fā)危險(xiǎn)情況下的飛機(jī)平安性.??縮短設(shè)計(jì)周期:能夠快速進(jìn)行ＣＡＥ建模、求解和結(jié)果評(píng)估，格外是把CAE前后處理的時(shí)間降下來(lái),并且通過(guò)優(yōu)化技術(shù)和流程削減人工的反復(fù)設(shè)計(jì)迭代.??Altaiｒ公司是世界領(lǐng)先的工程設(shè)計(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)者,旗艦產(chǎn)品ＨｙperＷo(hù)ｒks軟件包含了HyｐerＭeｓｈ,OｐtiSｔrucｔ，Raｄioｓs,MotioｎViｅｗ，ＨyperStｕdy等聞名模塊,是全球領(lǐng)先的企業(yè)級(jí)產(chǎn)品創(chuàng)新解決方案,目前全球客戶超過(guò)4０00家,分布于汽車、航空航天、機(jī)械、電子、船舶、國(guó)防等各個(gè)行業(yè)。近十年來(lái),HyｐerWorｋs專注于應(yīng)對(duì)航空產(chǎn)業(yè)的最新進(jìn)展趨勢(shì)和挑戰(zhàn),以其創(chuàng)新平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)幫助波音、空客、歐洲宇航防務(wù)、洛克西德馬丁、歐洲直升機(jī)等公司設(shè)計(jì)新一代的飛機(jī),取得了大量前所未有的工程成果，成為現(xiàn)代飛機(jī)性能設(shè)計(jì)的新平臺(tái)，供應(yīng)了一系列高效、優(yōu)化、創(chuàng)新的新技術(shù)。?

一。有限元建模技術(shù)??隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的進(jìn)展,現(xiàn)代飛機(jī)的有限元模型規(guī)模越來(lái)越大,網(wǎng)格越來(lái)越精細(xì)，模型治理越來(lái)越簡(jiǎn)潔,格外是復(fù)合材料在飛機(jī)上的大規(guī)模應(yīng)用使得單元屬性數(shù)據(jù)大大增加.例如，B78７的前起落架艙屈曲計(jì)算模型,包含4７萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，4９萬(wàn)個(gè)單元，２.7萬(wàn)個(gè)部件和屬性,以及一個(gè)超單元文件，傳統(tǒng)的飛機(jī)有限元建模技術(shù)已經(jīng)不能滿意這些新的需求。??ＨyperＭesh是一個(gè)高質(zhì)量高效率的有限元前處理器，無(wú)縫支持Catiａ和Nasｔｒan等數(shù)十種CAD和CＡＥ模型;供應(yīng)極其高效的有限元網(wǎng)格建模能力；供應(yīng)功能強(qiáng)大的模型樹(shù)視圖和分級(jí)治理能力；供應(yīng)了便利的整機(jī)和零部件載荷提取及施加能力.HyperMｅsh的這些特點(diǎn)，大大進(jìn)步了飛機(jī)有限元建模的效率和質(zhì)量,答應(yīng)工程師把主要精力放在后續(xù)的對(duì)產(chǎn)品本身性能的討論和改進(jìn)上,從而大大縮短整個(gè)設(shè)計(jì)周期。

(1）前起落架艙網(wǎng)格模型?２)前起落架艙屈曲計(jì)算模型?圖1波音公司利用HyperＭesh建立Ｂ7８7前起落架艙屈曲計(jì)算模型

圖2ＨyperＭeｓh的FBD技術(shù)（自由體力圖)幫助從整機(jī)模型提取完整的零部件載荷二.結(jié)構(gòu)優(yōu)化和減重技術(shù)

?“為減輕每一克重量而努力"是每個(gè)飛機(jī)設(shè)計(jì)工程師的工作信條。隨著對(duì)飛機(jī)動(dòng)力性能及經(jīng)濟(jì)性的要求越來(lái)越高，工程師必須在滿意苛刻的設(shè)計(jì)要求的條件下，還要盡可能的減輕重量。此外,為了在設(shè)計(jì)的最初階段就能考慮零件的性能，從而使設(shè)計(jì)具有良好的基因，設(shè)計(jì)后期不出技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，并削減設(shè)計(jì)反復(fù),工程師必須在概念設(shè)計(jì)階段就對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的參考現(xiàn)有機(jī)型或者閱歷，并進(jìn)行人工反復(fù)設(shè)計(jì)迭代的過(guò)程，已經(jīng)滿意不了新一代飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，需要有新的技術(shù)來(lái)滿意重量、性能和設(shè)計(jì)周期的苛刻要求。??OｐtiStruct是一個(gè)是以有限元法為基礎(chǔ)，面對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化的有限元和結(jié)構(gòu)優(yōu)化求解器，擁有全球最先進(jìn)的優(yōu)化技術(shù)，供應(yīng)最全面的優(yōu)化方法,包括拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、外形優(yōu)化以及自由尺寸和自由外形優(yōu)化。OｐｔｉStrucｔ自從1９94年發(fā)布以來(lái),被廣泛而深進(jìn)地應(yīng)用到各個(gè)行業(yè),在航空航天、汽車、機(jī)械等領(lǐng)域取得了大量革命性的成功應(yīng)用,贏得了多個(gè)創(chuàng)新大獎(jiǎng)。格外地,ＯptiSｔrｕct被應(yīng)用于目前世界上幾乎全部新一代飛機(jī)的研發(fā)中,為飛機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和減重做出巨大貢獻(xiàn)。?圖３采納OptiStruｃt技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和減重的飛機(jī)，累計(jì)優(yōu)化上千個(gè)零部件，累計(jì)減重達(dá)數(shù)噸之多?圖4A380前緣翼肋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),每架飛機(jī)減重５00公斤三.碰撞平安性分析技術(shù)?

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)展，采納有限元技術(shù)對(duì)飛機(jī)突發(fā)危險(xiǎn)情況下的平安性進(jìn)行分析和評(píng)估已經(jīng)成熟，鳥(niǎo)撞,墜撞，水上迫降等已經(jīng)成為飛機(jī)研發(fā)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)分析。??ＲAＤＩOSS是聞名的通用數(shù)值分析軟件包,具有顯式、隱式求解器，擁有拉格朗日、歐拉、AＬＥ、SＰH等算法，及有限元、有限體積、邊界元等數(shù)值處理技術(shù)；可用于解決結(jié)構(gòu)的幾何非線性（大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大應(yīng)變)、材料非線性和接觸非線性等非線性題目；也可以用于計(jì)算動(dòng)載荷、靜載荷下的固體結(jié)構(gòu)、流體、流固耦合等題目.它格外適合于求解碰撞/鳥(niǎo)撞、被動(dòng)平安／結(jié)構(gòu)適撞性、爆炸/沖擊、跌落、陸地/水上迫降，高頻振動(dòng)、超高速碰撞等非線性動(dòng)力沖擊題目,供應(yīng)無(wú)與倫比的先進(jìn)技術(shù)以幫助用戶進(jìn)步產(chǎn)品性能。在歐洲,Radiｏｓs是飛機(jī)平安性分析領(lǐng)域應(yīng)用最多的軟件，其上風(fēng)包括:??·與歐洲直升機(jī)公司合作開(kāi)發(fā)了多種專業(yè)鳥(niǎo)體模型,包括２磅，4磅和8磅的AＬE和SPH格式鳥(niǎo)體模型，模型的參數(shù)都經(jīng)過(guò)物理試驗(yàn)的修正，具有格外高的精度，可用于各種飛機(jī)的鳥(niǎo)撞分析。??·支持各種飛機(jī)常用材料模型,格外地，支持豐富的復(fù)合材料撞擊破壞模式，包括X-FEM，Hasｈin,Pｕcｋ,Lａdeveze/Aｌｌiｘ等,并且一種材料模式可以對(duì)應(yīng)多種失效模式,大大進(jìn)步了仿真的正確性.??·支持多域并行仿真，選擇質(zhì)量縮放等獨(dú)占的數(shù)值求解技術(shù),大大進(jìn)步計(jì)算效率和精度，適合大規(guī)模的飛機(jī)碰撞平安性分析題目。?圖５歐洲直升機(jī)公司采納Radioss進(jìn)行鳥(niǎo)撞分析?圖6空客公司采納Ｒadioｓs進(jìn)行復(fù)合材料機(jī)翼鳥(niǎo)撞分析?圖7空客公司采納RａｄｉosｓＳPH算法對(duì)A３20進(jìn)行水上迫降分析四．復(fù)合材料技術(shù)??復(fù)合材料以其比強(qiáng)度、比模量高，耐腐蝕、抗疲乏、減震、破損平安性能好等優(yōu)點(diǎn),在產(chǎn)業(yè)界取得了越來(lái)越多的應(yīng)用,格外是在航空行業(yè)，由于鋼鐵和有色合金很難滿意日趨苛刻的重量，力學(xué)等設(shè)計(jì)性能要求,復(fù)合材料更是得到了廣泛的應(yīng)用，例如B７8７和A350的復(fù)合材料應(yīng)用都超過(guò)５0%。Altair公司具有全面的復(fù)合材料建模、分析和優(yōu)化能力，包括：復(fù)合材料建模工具HyperLａmｉnatｅ，強(qiáng)度和失效分析工具Radｉｏss以及優(yōu)化工具OpｔiＳｔruct。??HypｅrLamiｎaｔe是專業(yè)的復(fù)合材料前處理模塊。利用這個(gè)模塊可以便捷的對(duì)復(fù)合材料模型進(jìn)行創(chuàng)建、檢查和編輯,支持各種對(duì)稱設(shè)置,支持各種材料本構(gòu)關(guān)系和失效準(zhǔn)則定義，支持展層方向可視化等。

圖8采納HypeｒLａminate建立復(fù)合材料機(jī)翼模型復(fù)合材料的強(qiáng)度和失效分析采納RＡＤIOSS求解器,支持ＰCＯMP,PＣＯＭPG，PCOＭＰP(Ply＋Ｓｔａcｋ）定義方式,具有多種獨(dú)占的單元格式可以精確的模擬分層特性，可以便利的求解出各展層的應(yīng)力、應(yīng)變和失效指數(shù),仿真屈曲，壓潰，撕裂等各種失效模式。

圖9采納Rａdioss進(jìn)行復(fù)合材料分析OptiStrｕct具有強(qiáng)大而全面的復(fù)合材料優(yōu)化能力,支持從最初的零件結(jié)構(gòu)樣式,到展層外形和厚度分布，到展層角度和層數(shù)的優(yōu)化，到終極展層層疊次序的各個(gè)階段的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,可以考慮各展層的應(yīng)力、應(yīng)變、失效，屈曲等性能約束，供應(yīng)了前所未有的復(fù)合材料優(yōu)化解決方案.?圖10空客公司采納OｐｔiＳtruct進(jìn)行復(fù)合材料機(jī)翼設(shè)計(jì)五.運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真和優(yōu)化技術(shù)??飛機(jī)存在大量的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),如起落架，襟翼，艙門(mén)等,必須運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)驗(yàn)證，并且對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,使其滿意各種性能要求.Altaiｒ公司的ＭoｔionＶiｅｗ及ＨyperStｕｄy模塊可以圓滿解決各種飛機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真優(yōu)化題目.??ＭotionViｅｗ是一個(gè)通用的多體動(dòng)力學(xué)仿真前處理器和可視化工具，具有簡(jiǎn)潔友好的界面,高效的建模語(yǔ)言,供應(yīng)各種建模方法及豐富的工具集以進(jìn)步建模效率。MoｔionＳｏlve是內(nèi)嵌的一個(gè)功能強(qiáng)大的多體動(dòng)力學(xué)求解器,支持運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、準(zhǔn)靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、線性化、特征分析、狀態(tài)矩陣輸出及與MaｔＬaｂ接口。ＭotioｎVieｗ完全可以滿意飛機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)建模及仿真的需要.?圖11采納ＭotｉｏnＶiew進(jìn)行飛機(jī)起落架、襟翼及艙門(mén)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真HｙpeｒStuｄy是一個(gè)獨(dú)立于求解器的參數(shù)討論、多學(xué)科優(yōu)化和產(chǎn)品穩(wěn)健性設(shè)計(jì)平臺(tái)，具有簡(jiǎn)潔易用的流程化菜單,答應(yīng)用戶直接調(diào)用各種CAＥ求解器—包括線性、非線性、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、流體及各種多物理場(chǎng)求解器。HyperＳｔｕｄy可以結(jié)合ＭotｉｏnView對(duì)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的鉸鏈位置、特性曲線和參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化。?圖1２HｙperStudy優(yōu)化艙門(mén)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)鉸鏈點(diǎn)位置及彈簧特性?（1）基于MotｉｏnViｅｗ的起落架著陸仿真?（2)起落架緩沖器的阻尼特性曲線

（3）采納HyｐerＳtｕｄy優(yōu)化阻尼特性曲線?(4）優(yōu)化設(shè)計(jì)滿意設(shè)計(jì)要求?圖13Alｔa