hyperworks彈簧受力分析

彈簧受力分析摘要：新一代飛機的設計對性能有更高的要求，需要有新的性能設計平臺來應對這些挑戰(zhàn)。Altair公司的HyｐｅrWorｋs在飛機結構有限元建模,結構優(yōu)化及減重,碰撞平安性分析,復合材料零部件設計和運動機構仿真及優(yōu)化等領域的技術已經(jīng)被世界各大飛機制造商廣泛采納,成為事實上的現(xiàn)代飛機性能設計新平臺。

關鍵字：HyｐerＷorｋsHｙｐerＭeｓhOptｉSｔｒucｔＲａｄiossMｏtｉoｎViewHｙpｅｒStudｙ飛機性能設計

近年來，以A38０，Ａ350,A４00M,Ｂ７８7，Ｆ３５為代表的新一代飛機，外形更大，重量更輕，飛得更遠，載重量更大,機動性更好,突發(fā)情況下更平安，燃油經(jīng)濟性更好,確立了飛機性能設計的新標準,對現(xiàn)代飛機設計技術提出了一系列新的要求和挑戰(zhàn),需要有新的技術來應對。??結構減重技術:能夠清楚給出在給定設計空間內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計提示信息和依據(jù)，而不僅僅依靠閱歷來進行結構的輕量化設計.??復合材料設計技術：能夠對復合材料零部件進行建模、仿真和優(yōu)化，預估復合材料零部件的強度、剛度、破壞和疲乏特性，優(yōu)化復合材料的展層角度、展層外形、展層數(shù)目和展層疊加次序.?

系統(tǒng)優(yōu)化技術:能夠在概念設計階段優(yōu)化結構傳力路徑和布局,削減設計后期風險;能夠對飛機的性能參數(shù)進行優(yōu)化，滿意各種設計指標；能夠進行多學科考慮，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:能夠對鳥撞、墜撞、水上迫降等工況進行仿真，評估并改進突發(fā)危險情況下的飛機平安性.??縮短設計周期:能夠快速進行ＣＡＥ建模、求解和結果評估，格外是把CAE前后處理的時間降下來,并且通過優(yōu)化技術和流程削減人工的反復設計迭代.??Altaiｒ公司是世界領先的工程設計技術開發(fā)者,旗艦產(chǎn)品ＨｙperＷoｒks軟件包含了HyｐerＭeｓｈ,OｐtiSｔrucｔ，Raｄioｓs,MotioｎViｅｗ，ＨyperStｕdy等聞名模塊,是全球領先的企業(yè)級產(chǎn)品創(chuàng)新解決方案,目前全球客戶超過4０00家,分布于汽車、航空航天、機械、電子、船舶、國防等各個行業(yè)。近十年來,HyｐerWorｋs專注于應對航空產(chǎn)業(yè)的最新進展趨勢和挑戰(zhàn),以其創(chuàng)新平臺設計技術幫助波音、空客、歐洲宇航防務、洛克西德馬丁、歐洲直升機等公司設計新一代的飛機,取得了大量前所未有的工程成果，成為現(xiàn)代飛機性能設計的新平臺，供應了一系列高效、優(yōu)化、創(chuàng)新的新技術。?

一。有限元建模技術??隨著計算機硬件技術的進展,現(xiàn)代飛機的有限元模型規(guī)模越來越大,網(wǎng)格越來越精細，模型治理越來越簡潔,格外是復合材料在飛機上的大規(guī)模應用使得單元屬性數(shù)據(jù)大大增加.例如，B78７的前起落架艙屈曲計算模型,包含4７萬個節(jié)點，4９萬個單元，２.7萬個部件和屬性,以及一個超單元文件，傳統(tǒng)的飛機有限元建模技術已經(jīng)不能滿意這些新的需求。??ＨyperＭesh是一個高質量高效率的有限元前處理器，無縫支持Catiａ和Nasｔｒan等數(shù)十種CAD和CＡＥ模型;供應極其高效的有限元網(wǎng)格建模能力；供應功能強大的模型樹視圖和分級治理能力；供應了便利的整機和零部件載荷提取及施加能力.HyperMｅsh的這些特點，大大進步了飛機有限元建模的效率和質量,答應工程師把主要精力放在后續(xù)的對產(chǎn)品本身性能的討論和改進上,從而大大縮短整個設計周期。

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

圖2ＨyperＭeｓh的FBD技術（自由體力圖)幫助從整機模型提取完整的零部件載荷二.結構優(yōu)化和減重技術

?“為減輕每一克重量而努力"是每個飛機設計工程師的工作信條。隨著對飛機動力性能及經(jīng)濟性的要求越來越高，工程師必須在滿意苛刻的設計要求的條件下，還要盡可能的減輕重量。此外,為了在設計的最初階段就能考慮零件的性能，從而使設計具有良好的基因，設計后期不出技術風險，并削減設計反復,工程師必須在概念設計階段就對產(chǎn)品進行優(yōu)化設計。傳統(tǒng)的參考現(xiàn)有機型或者閱歷，并進行人工反復設計迭代的過程，已經(jīng)滿意不了新一代飛機結構設計的需要，需要有新的技術來滿意重量、性能和設計周期的苛刻要求。??OｐtiStruct是一個是以有限元法為基礎，面對產(chǎn)品設計、分析和優(yōu)化的有限元和結構優(yōu)化求解器，擁有全球最先進的優(yōu)化技術，供應最全面的優(yōu)化方法,包括拓撲優(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,被廣泛而深進地應用到各個行業(yè),在航空航天、汽車、機械等領域取得了大量革命性的成功應用,贏得了多個創(chuàng)新大獎。格外地,ＯptiSｔrｕct被應用于目前世界上幾乎全部新一代飛機的研發(fā)中,為飛機結構優(yōu)化和減重做出巨大貢獻。?圖３采納OptiStruｃt技術進行結構優(yōu)化和減重的飛機，累計優(yōu)化上千個零部件，累計減重達數(shù)噸之多?圖4A380前緣翼肋結構優(yōu)化設計,每架飛機減重５00公斤三.碰撞平安性分析技術?

隨著計算機軟硬件技術的進展，采納有限元技術對飛機突發(fā)危險情況下的平安性進行分析和評估已經(jīng)成熟，鳥撞,墜撞，水上迫降等已經(jīng)成為飛機研發(fā)過程的標準分析。??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；可用于解決結構的幾何非線性（大位移、大轉動和大應變)、材料非線性和接觸非線性等非線性題目；也可以用于計算動載荷、靜載荷下的固體結構、流體、流固耦合等題目.它格外適合于求解碰撞/鳥撞、被動平安／結構適撞性、爆炸/沖擊、跌落、陸地/水上迫降，高頻振動、超高速碰撞等非線性動力沖擊題目,供應無與倫比的先進技術以幫助用戶進步產(chǎn)品性能。在歐洲,Radiｏｓs是飛機平安性分析領域應用最多的軟件，其上風包括:??·與歐洲直升機公司合作開發(fā)了多種專業(yè)鳥體模型,包括２磅，4磅和8磅的AＬE和SPH格式鳥體模型，模型的參數(shù)都經(jīng)過物理試驗的修正，具有格外高的精度，可用于各種飛機的鳥撞分析。??·支持各種飛機常用材料模型,格外地，支持豐富的復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應多種失效模式,大大進步了仿真的正確性.??·支持多域并行仿真，選擇質量縮放等獨占的數(shù)值求解技術,大大進步計算效率和精度，適合大規(guī)模的飛機碰撞平安性分析題目。?圖５歐洲直升機公司采納Radioss進行鳥撞分析?圖6空客公司采納Ｒadioｓs進行復合材料機翼鳥撞分析?圖7空客公司采納RａｄｉosｓＳPH算法對A３20進行水上迫降分析四．復合材料技術??復合材料以其比強度、比模量高，耐腐蝕、抗疲乏、減震、破損平安性能好等優(yōu)點,在產(chǎn)業(yè)界取得了越來越多的應用,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，力學等設計性能要求,復合材料更是得到了廣泛的應用，例如B７8７和A350的復合材料應用都超過５0%。Altair公司具有全面的復合材料建模、分析和優(yōu)化能力，包括：復合材料建模工具HyperLａmｉnatｅ，強度和失效分析工具Radｉｏss以及優(yōu)化工具OpｔiＳｔruct。??HypｅrLamiｎaｔe是專業(yè)的復合材料前處理模塊。利用這個模塊可以便捷的對復合材料模型進行創(chuàng)建、檢查和編輯,支持各種對稱設置,支持各種材料本構關系和失效準則定義，支持展層方向可視化等。

圖8采納HypeｒLａminate建立復合材料機翼模型復合材料的強度和失效分析采納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力、應變和失效指數(shù),仿真屈曲，壓潰，撕裂等各種失效模式。

圖9采納Rａdioss進行復合材料分析OptiStrｕct具有強大而全面的復合材料優(yōu)化能力,支持從最初的零件結構樣式,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階段的優(yōu)化設計方法,可以考慮各展層的應力、應變、失效，屈曲等性能約束，供應了前所未有的復合材料優(yōu)化解決方案.?圖10空客公司采納OｐｔiＳtruct進行復合材料機翼設計五.運動機構仿真和優(yōu)化技術??飛機存在大量的運動機構,如起落架，襟翼，艙門等,必須運用多體動力學技術對其進行分析和設計驗證，并且對運動機構進行優(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運動機構仿真優(yōu)化題目.??ＭotionViｅｗ是一個通用的多體動力學仿真前處理器和可視化工具，具有簡潔友好的界面,高效的建模語言,供應各種建模方法及豐富的工具集以進步建模效率。MoｔionＳｏlve是內嵌的一個功能強大的多體動力學求解器,支持運動學、靜力學、準靜力學、動力學、線性化、特征分析、狀態(tài)矩陣輸出及與MaｔＬaｂ接口。ＭotioｎVieｗ完全可以滿意飛機運動機構建模及仿真的需要.?圖11采納ＭotｉｏnＶiew進行飛機起落架、襟翼及艙門運動機構仿真HｙpeｒStuｄy是一個獨立于求解器的參數(shù)討論、多學科優(yōu)化和產(chǎn)品穩(wěn)健性設計平臺，具有簡潔易用的流程化菜單,答應用戶直接調用各種CAＥ求解器—包括線性、非線性、運動學、動力學、流體及各種多物理場求解器。HyperＳｔｕｄy可以結合ＭotｉｏnView對飛機運動機構的鉸鏈位置、特性曲線和參數(shù)等進行優(yōu)化。?圖1２HｙperStudy優(yōu)化艙門運動機構鉸鏈點位置及彈簧特性?（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)化設計滿意設計要求?圖13Alｔa