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鸟撞问题及起落架分析
发布时间:2013-12-18
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1. 鸟撞问题
已有的实验证明,直径为2毫米的水滴,在750米/秒的速度下撞击马氏体钢,会使后者发生塑性变形。容易想象,一只重约250克的飞鸟,其相对飞行速度为100-300米/秒与飞机相撞,足以使飞机的挡风玻璃、机体、发动机叶片或外罩等严重变形或破碎,从而造成灾难,因此鸟撞问题一直是航空航天领域倍受关注的难题。飞鸟在撞击结构的过程发生在很短时间内,一般为50毫秒左右,此过程中飞鸟肌体将发生流动变形和解体而四处抛洒,结构亦将产生大变形,甚至发生破坏,例如挡风玻璃破碎、机体穿透、发动机叶片断裂等。同时,结构的动态响应将在较长时间内持续 发生,但令人感兴趣的时间段一般不超过100毫秒。由于鸟撞整个过程在较短的时间内完成,一般物理实验费用昂贵而且难于提供足够的信息,因此,目前在对飞行器鸟撞研究时,采取方法是以应用有限元技术模拟鸟撞为主,并辅以物理实验。
有限元程序在模拟鸟撞时,必须具备的功能包括:
►飞鸟物理材料的描述
►飞鸟流动变形的描述
►飞鸟与飞行器接触的描述
►飞行器结构大变形和破坏过程的描述当前,世界范围内对鸟撞进行分析广泛采用的工具为Abaqus/Explicit。该程序是著名高度非线性有限元显式求解程序,主要用于分析结构在高速撞击、爆炸等动载荷下的动态响应。飞鸟在高速撞击时将产生强大压力,足以使金属材料发生变形和破坏。在这样的变形条件下,飞鸟的材料呈流体。Abaqus/Explicit中的飞鸟材料采用状态方程描述材料。
对于结构(飞行器)的损伤和破坏,可使用Abaqus的材料损伤模型计算结构材料的破坏,例如挡风玻璃、叶片、发动机外罩或机体、机翼等的失效和破坏。
2. 起落架机构运动及零部件分析
在飞机设计里,起落装置的设计是十分重要的环节,为了保证飞机的安全起飞、着落,要求起落架具有足够的强度、刚度与冲击性能;为了使飞行器离地后具有良好的性能,还要求起落架应足够的轻。Abaqus提供的多种单元可对起落架进行静力、动力响应分析,飞机着陆过程是典型的冲击类问题,Abaqus/Standard是最优秀的隐式求解器模块,可以求解系统级的非线性结构静力学问题。
Abaqus/Explicit是目前最好的显式求解器模块,可以求解瞬态动力冲击仿真程序,可对着陆过程进行冲击分析、机构运动分析、失稳分析、损伤容限分析,从而实现对起落架的优化设计。起落架在载荷上要承受强冲击载荷,在结构上又有高阻尼缓冲元件,因此起落架的分析是高度非线性分析,Abaqus的连接器单元(滑动、摩擦、阻尼、弹簧组合)可方便地模拟多种阻尼缓冲件的静、动力特性,因此在起落架的分析中可以考虑进所有的主要因素。由于Abaqus软件集线性和非线性静力学和动力学、机构运动分析和瞬态分析于一体,因此可以实现起落架的统一有限元分析解决方案。
2.1 飞行器起落架多体动力学分析
问题难点:
►展开时的运动协调性
►连接部位的反力计算
►部件级的应力分析
►着陆时的动力学分析
►零部件的大变形
Abaqus/CAE提供各种连接单元去模拟机构运动,可以轻松实现刚柔体耦合分析。
2.2 飞行器起落架部件级静力分析
问题难点:
►多重机械结构
►需要为多种构型,多个组件和多种工况提取相互作用力传统分析采用刚体分析提取部件间的作用力,再将部件间所用力作为静载施加在部件上,施加边界条件,分析过程繁琐。Abaqus采用统一的模型对过程进行机构-结构耦合分析,不需要导入导出部件间的作用反力。
2.3 飞行器起落架部件级动力分析
问题难点:
►接触非线性
►材料非线性
►几何非线性
传统分析利用刚体分析提取部件间的作用力,再将部件间作用力施加在模态动力学模型上。Abaqus采用统一的有限元模型使用Abaqus/Explicit对过程进行机构-结构耦合分析,使用多处理器并行来减小分析时间。
综上,Abaqus可以利用统一的模型进行着陆过程的运动学、 静力学和动力学分析,提高了分析效率,减少了模型修改工作量。采用先进的算法,更容易处理各种复杂的非线性问题。
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