ANSYS模型处理技术在航空薄壁构件结构设计的应用集电环

ANSYS模型处理技术在航空薄壁构件结构设计的应用

ANSYS模型处理技术在航空薄壁构件结构设计的应用 2011： 飞机结构设计中，出于结构减重和增大内部空间等考虑，结构受力构件以薄壁梁板结构为主，包括长桁、蒙皮、翼盒、隔框、墙、梁等主要元件。对于这些主要元件的结构设计，通常分为两个阶段：初步设计和详细设计两个阶段。1．在结构初步设计过程中，通常只需要建立简单的简化模型，通过有限元计算来确定各元件初步尺寸与结构布置。因此，薄壁结构通常被简化为梁单元、壳单元等力学模型，运用杆系结构力学、薄壁结构力学、板壳理论等方法来确定初步尺寸及结构布置。ANSYS 10.0 提供了独特的CATIA 双向参数关联驱动、中性面快速抽取、几何特征简化、虚拓扑、高质量面网格等技术来实现初步设计的快速、高效需求：1) CATIA 与ANSYS 双向参数关联驱动。双向参数互动技术，是现代产品设计中的关键技术之一，即CAD 数字样机的参数均与ANSYS 中模型参数相关联，CAD 的设计变更可以通过参数刷新快速传递给ANSYS，ANSYS 的优化设计结果也通过参数直接修改CAD 模型，从而大大提高设计效率。现代飞机设计已经实现“无图纸”设计，利用ANSYS 双向参数驱动的独特技术，可以将CATIA 样机的模型完整读入，真正实现了飞机结构、气动、飞控等多学科设计与优化过程的“主模型共享”：以CATIA 的CAD 模型为主模型，形成各个学科的“虚拟样机”以取代传统的“物理样机”，从而提高飞机研发效率。2) 中面自动抽取与细小特征快速简化技术。飞机薄壁结构件造型较复杂，包含很多孔洞、圆角等细节特征。在ANSYS10.0 中，可以快速忽略或修补细节特征。更重要的，ANSYS 拥有自动中性面抽取功能，特别适合薄壁构件从CATIA实体模型到有限元板壳模型的快速处理，完成构件级的模型简化工作。如此，则大大提高了CATIA 主模型对有限元计算的可用性，不再需要重新建立适合有限元的几何简化模型。3) 高质量面网格剖分技术。该技术是ANSYS 10.0 在模型处理环节最闪亮的新功能之一，包含了全四边形面网格、虚拓扑几何、孔洞自动忽略等子功能。利用中面自动抽取技术获得的壳模型，可以不作过多修补，ANSYS 在面网格剖分时，可以设置容差大小，将自动忽略小于容差的缝隙、孔洞、小面、圆角等，获得高质量的全四边形网格。四边形网格可以在初步设计中网格较粗的情况下，大大提高计算精度。而几何特征简化和网格容差处理，将帮助设计人员大大加快飞机复杂薄壁构件的模型处理效率。

图1 薄壁构件中面自动抽取及全四边形网格

2．在结构详细设计过程中，需要通过计算确定全部元件结构尺寸和完成内部构造设计、连接设计等。详细设计中对计算精度的要求极高，因此对有限元力学模型要求也与初步设计完全不同，更加强调模型反映细节特征的能力，例如螺栓等紧固件计算等。ANSYS 10.0 提供了全新的实体壳单元、自动装配连接、六面体网格剖分等技术来实现细节设计中精度与效率的平衡：1) 实体壳单元，克服薄壁结构计算精度和模型处理困难等问题，简化建模工作。受弯为主的薄壁结构，传统的方法必须通过中面抽取环节处理模型，以避免直接使用实体单元导致的计算误差过大问题（直接使用实体单元，误差将超过200％以上）。对设计人员而言，采用传统处理方式，将不得不面对有限元纯理论中剪切锁定问题和抽取中面导致工作量增加的双重挑战，精度也难以保障。ANSYS 的“实体壳190”单元，可以很好地解决受弯薄壁结构的问题，精度很高，可以像普通实体单元一样使用实体网格，不再需要抽取中面简化为板壳模型。特别是，由于实体壳单元采用实体模型，使ANSYS 对紧固件和受力元件的连接部位的详细设计的精度更加接近真实，如耳片的强度、疲劳等分析。另外，ANSYS 10.0 的“实体壳”单元，可以模拟铺层复合材料，对飞机结构中复合材料特有的层间强度问题有更好的解决。2) 自动装配连接定义技术，大大提高复杂构件的细节设计效率。ANSYS 在接触非线性问题（装配连接问题）的最大特色之一，就是自动定义装配连接关系，各个元件的连接部位将自动定义接触单元以传递压力、剪力、弯矩、位移等，并且可以很好地解决梁、壳、实体等不同有限单元之间的节点位置和自由度不协调问题，如六自由度的壳与三自由度的实体单元之间、不同元件的网格之间的连接和传力。3) 六面体网格剖分技术，使细节设计中的有限元分析结果更加逼近真实。六面体网格计算精度很高，而且计算复杂问题速度很快，特别是对非线性、动力学等复杂问题收敛性很好。传统的网格剖分技术，无法获得飞机复杂薄壁构件的六面体网格，影响了分析精度。ANSYS 提供的六面体网格剖分技术，无需人工干预，程序自动迭代生成高精度六面体网格。六面体网格技术，将为飞机结构细节设计带来前所未有的精确性。总体而言，ANSYS 在近几个版本中，增加了许多针对航空工业的有限元分析需求的功能与技术，充分考虑到实际飞机设计中设计和分析人员遇到的困难和需求。相信文中所述的诸多全新有限元模型处理技术，将为飞机设计者提供更加高效、更加精确的解决方案。(end)

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