SIMULIA/Abaqus在航空工业中的应用

作者：SIMULIA 公司北京代表处 赵友选

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... SIMULIA 公司和Abaqus 软件 达索SIMULIA公司(原Abaqus公司)是世界知名的计算机仿真行业的软件公司，其主要业务是为世界上著名的非线性有限元分析软件Abaqus进行开发、维护及售后服务。 2005年5月，前Abaqus软件公司与世界知名的在产品生命周期管理软件方面拥有先进技术的法国达索集团合并，共同开发新一代的模拟真实世界的仿真技术平台SIMULIA。SIMULIA不断吸取最新的分析理论和计算机技术，领导着全世界非线性有限元技术和仿真数据管理系统的发展。 Abaqus软件是一套先进的通用有限元程序系统，被广泛地认为是功能强大的有限元软件，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大的问题和模拟非线性的影响。Abaqus有2个主要的分析模块： （1）Abaqus/Standard是一个通用分析模块，它能够求解广泛的线性和非线性问题，包括结构的静态、动态、热和电响应等。对于通常同时发生作用的几何、材料和接触非线性采用自动控制技术处理。 （2）Abaqus/Explicit是显示积分求解器，该模块适合于分析如冲击和爆炸这样短暂、瞬时的动态事件，对高度非线性问题也非常有效，包括模拟加工成形过程中改变接触条件的问题。 Abaqus软件还包括其他的几个部分：Abaqus的前后处理器Abaqus/CAE，以及与Abaqus/Standard组合的2个特殊用途的分析模块Abaqus/Aqua和Abaqus/Design。 Abaqus 在航空工业中的应用 1 在飞机总体设计中的应用 在飞行器总体设计分析中要考虑的问题有：频率和振型、线性和非线性静态和瞬态应力、失稳分析、飞鸟和飞机的撞击、总体气动性能、飞机和发动机的气动匹配，军用飞机的雷达反射特性以及红外辐射特性等。 Abaqus强大的动力分析功能可以快速地进行模态和振型计算。Abaqus可考虑多种因素对模态和振型的影响，可以准确地计算出飞行器在各种条件下的模态和振型。 通常,飞机机身有大量的连接,如铆接/焊接/粘结等结构,这些结构的处理是总体分析中极为重要但又难以处理的问题，Abaqus为处理各种连接结构提供了方便的功能，如网格无关的焊接定义和粘接单元等。同时Abaqus/Explicit为机身在振动、冲击等作用下的动力响应 分析提供了有效的分析手段。一方面软件自身提供了铆接、焊接、粘结等各种功能；另一方面显示求解方法在振动等瞬态分析中容易处理复杂的接触问题等因素。 2 在飞机复合材料技术中的应用 新型客机的设计大量引入复合材料，以减轻结构的重量，减少油耗，提高经济性。复合材料的大量应用对技术提出新的挑战，新材料导致新的挑战具体包括： 材料的可用范围，如何进行新的材料测试以及需要新的分析技术。 借助于多层壳、实体壳及实体单元可以建立复杂的复合材料模型，这些单元允许叠加各向同性或各向异性材料层，材料方向允许变化。Abaqus提供的失效准则有最大应变失效准则、最大应力失效准则和Tsai-Wu 失效准则等，用户也可以通过用户子程序来定义自己的失效准则，同时可以考虑纤维破裂、纤维屈曲、基体开裂、基体压溃等失效模式。Abaqus 的复合材料功能特别适合于大量应用复合材料的新型飞行器。 波音通过Abaqus 将其专利技术——虚拟裂纹闭合技术 (VCCT) 商业化。该技术可以帮助我们有效地分析复合材料结构的断裂和分层问题。通过Abaqus 实现VCCT技术的优势在于：不需要重新进行网格划分或重新分析；可以防止复合材料失效后的穿透；Abaqus/Viewer 直接支持后处理。3 飞机起落架设计中的应用 在飞机设计中，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，要求起落架具有足单元对起落架进行静力分析、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 是目前非常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。 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。可以实现起落架的统一有限元分析解决方案，包括飞行器起落架多体动力学分析、飞行器起落架部件级静力性、接触非线性的塑性大变形过程，Abaqus/Standard 和Abaqus /Explicit 的非线性分析功能及显式分析和隐式分析功能的完美结合，可获得常规方法难以获得的金属成形过程中的温度场、应力场、应变场及回弹量等工艺参数，为提高工件的加工质量、选取设备吨级、制定合理的工艺过程提供依据。 Abaqus /Explicit 可以方便地定义大量的接触，含有多种塑性、热塑性、超弹性等材料本构模型，具有适应性网格等特殊分析功能，可以描述各种金属及非金属的大变形，因而被广泛应用于金属加工过程的模拟。 Abaqus /Explicit 采用中心差分格式的时间积分方法，对未知量显式求解。由于质量矩阵进行对角化处理，可进一步加快求解速度。一般的冲压、锻压、铸造等问题合理控制有限元规模，在P C 机上运行5 ～20h 能得到理想结果，这样的效率是其他程序难以相比的。 结束语 Abaqus 是国际著名的CAE 软件，它以解决实际工业问题能力和强大的非线性功能赢得广泛声誉。航空工业是Abaqus 最重要的应用领域之一，波音、空中客车、洛克希德·马丁等是其长期合作的用户。对航空工业很多复杂和特殊的问题，如疲劳断裂、复合材料损伤、起落架柔性机构、接触连接、金属塑性等，在所有的CAE 软件中，Abaqus 是非常有优势的。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/20/2008)