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航空与航天设备 |
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ANSYS在国外航空工业的应用 |
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作者：安世亚太 孟志华 |
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世界航空工业有着广阔的发展前景和巨大的商业市场，每年有着超过2500 亿美元的机会。空前的商机和竞争，促使世界各航空生产和研发机构致力于改善飞机性能、降低燃油消耗、减小噪音和污染排放。
考虑到技术和商业的需求，飞机设计工程师们必须面对更多挑战，例如，因为空间布置的限制，零部件将更加复杂且需要使用更多新型材料。零部件将必须承受振动、过载和热冲击等载荷。飞机的结构可靠性标准和安全性要求也许是所有工业中最严格的。
工程师们通常使用有限元分析(FEA)来研究飞机结构的强度和疲劳性能，使用显式分析(Explicit Analysis)来研究鸟撞、材料加工和大变形问题，使用电磁分析(CEM)预测电磁特性如雷达信号、电磁隐身等，使用流体动力学分析(CFD)来研究空气动力学、客舱通风(HVAC)和喷气发动机性能（更加复杂的流体问题还包括传热、气动力、气动热、激波、燃烧、化学反应以及噪音源研究等）。另外，还使用多物理场耦合分析如流固耦合(FSI)研究气弹颤振问题等。
ANSYS 令老式飞机青春焕发
即使是在有限元方法和CAE 仿真工具出现之前就已诞生的老式飞机，同样也可以借助ANSYS 仿真重焕生机。
老式的T-34 螺旋浆飞机，利用ANSYS Workbench 重新进行强度和疲劳仿真分析，通过了FAA 评估，重新获得适航许可。
例如第二次世界大战中广泛使用的T-34 飞机，使用螺旋浆发动机，现在仍然被用于飞行员训练和特技飞行。因为机翼主要承力结构件的材料可能发生疲劳破坏的原因，在2004年12 月，美国联邦航空局(FAA)停止了约500 架飞机的适航许可，随即，Raetech 公司根据General Aviation Mdoification 公司和T-34 拥有者的要求，利用ANSYS Workbench 对T-34 的承力结构件的铆钉连接部位的复杂结构进行了FEA 分析。
Raetech 公司使用ANSYS Workbench 的CAD-CAE 一体化、高质量六面体网格、自动接触探测与定义、非线性求解专家控制等特色功能，快速而有效地确定了在各种载荷工况下各铆钉连接部位的应力分布。如图显示，在连接部位的最里端的铆钉孔位置，有很明显的应力集中发生，且应力水平较高，恰好和实际结构破坏位置非常接近。在ANSYS 有限元分析基础上又对该部位的应变量和疲劳裂纹扩展机理进行了分析，经过评估，认为T-34并未达到设计寿命极限，仍然可以继续使用。
最后，经过FAA 的认证，许可T-34 飞机重返蓝天，并修订了T-34 的寿命评估报告以及该类铆钉连接部位的裂缝控制指标。
高性能航空发动机的设计分析
ANSYS 在航空喷气发动机和火箭发动机中的应用也有多年历史。航空发动机的设计，相对于机身有更多的尺寸和空间限制。工程师通常只能对结构进行小的改进以获得更好的动力性能。
因为航空发动机的几何拓扑通常都较为类似，为优化动力性能就需要对结构件模型进行多次小的修改。这就导致发动机零部件结构的尺寸优化设计变得非常重要，而且精度要求极高。众所周知，网格质量对计算精度影响很大。发动机的叶片，通常需要使用高精度的结构化六面体网格，而较为复杂的燃烧室等部件则可采用混合网格以更好适应几何形状。
GE 公司的GE Global Research 和GE Aircraft Engines 机构，一直在使用ANSYS ICEMCFD 来为发动机仿真提供高质量的六面体和混合网格。同时，该公司已经将ICEM CFD 作为整个CAE 仿真流程中统一的标准网格划分工具。
民用飞机空气动力特性分析，利用了ANSYS ICEM CFD 的混合网格和六面体网格功能，半自动化地对外流场进行高质量网格划分，提升了仿真精度和效率。
经过多年的发展，ANSYS 不断扩充和完善针对发动机的CAE 仿真解决方案，已经逐渐成为发动机仿真的标准软件。GE 等公司通过使用ANSYS，将CAD 设计和CAE 技术完美结合，产品研发周期大大缩短。ANSYS 针对发动机仿真，提供了振动分析、强度分析、传热分析、流体动力学分析、流固热耦合分析等功能，另外针对性的开发了BladeModeler 和TurboGrid 等叶片与流道的建模和分网工具以提升旋转机械分析效率。(end)
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(12/27/2006) |
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