cae技術在飛行器結(jié)構仿真中的應用-莊茁

1、,CAE技術在飛行器結(jié)構仿真中的應用莊茁清華大學航天航空學院,全國計算機輔助工程（CAE）技術與應用高級研討會,2005.08.22,人類需要借助各種工具來增強、延伸和擴大自己認識世界的能力， 虛擬科學與工程 (Virtual Science and Engineering)正是用高科技手段構造出一種人工環(huán)境，幫助工程師和科學家創(chuàng)造一個時域和空域可變的虛擬世界，使人們能夠在這個虛擬世界中縱觀古今，瞬扶四海，實現(xiàn)從必

2、然王國到自由王國的認識過程。,,CAE技術在飛行器結(jié)構仿真中的應用,,清華大學航天航空學院成立于2004年5月18日,清華大學航空學院的歷史追溯到1930年,,清華大學航天航空學院,教授35名（含兩院院士5名），副教授40名；研究生380名，其中博士生200名，碩士生180名；本科生350名，其中國防定向生95名；宇航員工程碩士班XX名。,學院概況,工程力學系，航天航空系；宇航中心，航空技術中心，國防戰(zhàn)略研究中心，空天信息研究

3、中心。,,,,宇航中心,,CAE技術在飛行器結(jié)構仿真中的應用,內(nèi) 容 飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估飛行器結(jié)構的沖擊失效與強度分析 流體/結(jié)構耦合分析飛行器結(jié)構的強度和屈曲分析點陣格柵材料力學性能及其應用,,飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的 斷裂力學計算和風險評估,CAE技術在飛行器結(jié)構仿真中的應用,Structural Integrity of Aircraft,Failureof an Engin

4、e,Widespread FatigueDamage,Repair,,飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估,FRAME,LAPJOINT,STRINGER,STRINGER,SHELL PANEL,TEAR STRAPS,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估,WFD,,Widespread Fatigue Damage（WFD）,WFD Increa

5、ses Safety ConcernsMust be able to Assess WFD RisksIncorporate Probabilistic Methodologies,Integrate Existing Probabilistic and Deterministic Procedures to Perform WFD AnalysesPerform Studies on Selected Aging Aircraf

6、t Components to Demonstrate FeasibilityProvide a ‘Complete’ Stand-Alone Analysis Capability for the Aircraft Industry,,飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估,Deterministic Analysis Requirements,Fast, Accurate Calculation of Stress Int

7、ensity FactorElastic-Plastic Finite Element Alternating Method (EPFEAM)Must Accept a Wide Variety of Inputs from Probabilistic RoutineLoads, Properties, Geometry, Cracks,,飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估,WFD Applications,Boein

8、g 737 Lap Splice Joint707 Wing SkinPressure Dome,Widespread Fatigue Damage,FRAME,LAPJOINT,STRINGER,STRINGER,SHELL PANEL,TEAR STRAPS,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估,Fuselage Fracture Analysis App

9、roach,Capture Global Load Flow,Detailed Modelsof Stingers and Frames,Fracture Analysis,Global Model,IntermediateModel,Local Model,Three Levels of Analysis,Standard FE Package,,,Finite Element Alternating Method,,,飛

10、行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估,System Architecture,,,,,,StandardFEM Analysis,,,PWFDInput,GlobalModel,,,,,,,,,,,,,,,,,,Intermediate Model,LocalModel,StandardFEM Analysis,EPFEAM,FractureSolutions,,飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估,SK

11、IN: 8-NODE SHELL FRAME: 3-NODE BEAM STRINGER: 3-NODE BEAM RIVET: SPRING,ANALYSIS APPROACH: STANDARD FEM,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Global Model,,飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估,SKIN: 8-NODE SHELL FRAME: 4-NODE SH

12、ELLSTRINGER: 4-NODE SHELLRIVET: SPRING/BEAM,Intermediate Model,,飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估,Local Model,SKIN: 8-NODE ISOPARAMETRIC ELEMENT,,,飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估,,,Isolated Skin with Reaction Forces from the St

13、iffeners,Far FieldTraction,FastenerReaction Forces,Automation of Analysis,Mesh GenerationAutomatically from Physical Inputs such as Skin Thickness, Stringer Spacing etc.Hierarchical AnalysisGlobal-Intermediate-Loc

14、alBenefit: Eliminates Analysis Difficulties for Users,,,飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估,WFD Configuration 1:Boeing 737 Lap Joint,,飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估,Intermediate Model,737 Frame,,飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估,

15、Global Analysis ResultsDisplacements,,飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估,Global Analysis Results Magnified Displacements,,飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估,Global Analysis ResultsStresses & Displacements,,飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估,Globa

16、l Analysis ResultsStresses,,飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估,Intermediate Analysis Results: Hoop Stresses,,飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估,,飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估,Intermediate Analysis Results: Hoop Stresses,Finite Element Alternatin

17、g Method,AdvantagesFast and AccurateNo Explicit Modeling of Crack TipSame Mesh can be Used for Different Crack ConfigurationsElastic and Elastic Plastic2D and 3D,,飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估,Advanced 2D FEAM,Elastic or

18、Elastic-Plastic AnalysesPlasticity Theory: Flow or Deformation TheoryComputation of K, J and T*Stable TearingMixed Mode FractureMultiple Cracks: Arbitrary Location and OrientationLoading: Traction, Nodal force, N

19、on-zero Displacement, Residual StressesResidual Strength CalculationsExpanded Element Library,,飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估,Advanced 3D FEAM,Elastic or Elastic-Plastic AnalysesPlasticity Theory: Deformation Theory OnlyCo

20、mputation of K, J and T*Mixed Mode FractureMultiple Cracks: Arbitrary Location and OrientationLoading: Traction, Nodal force, Non-zero Displacement, Residual StressesResidual Strength CalculationsExpanded Element L

21、ibrary,,飛行器結(jié)構疲勞損傷蔓延的斷裂力學計算和風險評估,2 飛行器結(jié)構的沖擊失效 與強度分析,,CAE技術在飛行器結(jié)構仿真中的應用,14,670 shell elementsRotating velocity: 10,000 rpmDiameter of Casing: 900 mm,,,Fan Blades,Casing,Fan Rotor Model,,飛行器結(jié)構的沖擊失效與強度分析,飛鳥撞

22、擊發(fā)動機葉片,,飛行器結(jié)構的沖擊失效與強度分析,Obtain steady state rotation solution with ABAQUS/Standard and pass steady state deformed shape, stresses and strains into ABAQUS/Explicit for subsequent analysis,Bird strike,Bird weight Impact

23、velocityCase 1 680 g 120 m/s Case 2 680 g 200 m/sCase 3 1814 g 200 m/s,,飛行器結(jié)構的沖擊失效與強度分析,Bird,Cylindrical shapeNearly incompressible material Shear failure,Casing,Defined as ri

24、gid body,Blades,Elastic-plastic material Contact Between blades and birdBetween blades and casing,,飛行器結(jié)構的沖擊失效與強度分析,Case 1: 680g bird 120m/s velocity,1 msec,5 msec,CPU Time: 120 min ( HP J5000),,飛行器結(jié)構的沖擊失效與強度分析,Cas

25、e 2: 680g bird 200m/s velocity,1 msec,5 msec,Case 3: 1814g bird 200m/s velocity,1 msec,5 msec,,飛行器結(jié)構的沖擊失效與強度分析,,,Large plastic strain experienced at root of some blades leads to contact with casing,,Blade off,5 m

26、sec,,飛行器結(jié)構的沖擊失效與強度分析,,飛行器結(jié)構的沖擊失效與強度分析,Fan Blade ContainmentFan blade failure at root due toFatigueLarge plastic strain caused by bird strikeCasing designed to contain released bladeLook at different casing thickness

27、: 5, 4 and 3 mm,Casing Elastic-plastic materialShear failure,BladesElastic-plastic materialContact withBlades Casing,,飛行器結(jié)構的沖擊失效與強度分析,5mm thickness,2 msec,10 msec,CPU Time: 241 min (HP J5000),,飛行器結(jié)構的沖擊失效與強度分析,4mm t

28、hickness,2 msec,10 msec,,飛行器結(jié)構的沖擊失效與強度分析,3mm thickness,2 msec,4 msec,Damage comparison,5mm thickness,4mm thickness,3mm thickness,,飛行器結(jié)構的沖擊失效與強度分析,,飛行器結(jié)構的沖擊失效與強度分析,碳纖維束z-向增強迭層復合材料,飛行器在使用過程中，會受到鳥撞、彈丸破片等沖擊，在維護過程中也容易受到維修工具的碰

29、撞。,為了提高復合材料層合板的抗沖擊性能，在垂直于層板方向用碳釘（z-pin或z-fibre）增強，稱為Z向加強（增韌）。,,飛行器結(jié)構的沖擊失效與強度分析,Top view(5ps),Snapshot after(1ps),Rigid tool on single crystal copperNVE systemBottom and right fixedPBC in y direction16000 atoms(20X20X

30、10)Cutting velocity 1000m/sCutting direction (100)Potential,磨損力學-MD模擬,3 流體/結(jié)構耦合分析,,CAE技術在飛行器結(jié)構仿真中的應用,,流體/結(jié)構耦合分析,程序平臺：ABAQUS/用戶單元附加質(zhì)量,例2：動力作用下的液體貯箱,Elephant foot bulging Diamond shape bulging,EFB and DSB,,,EFB and DSB

31、,,,,流體/結(jié)構耦合分析,程序平臺：ABAQUS/ALE流體單元,例2：動力作用下的液體貯箱,Elephant foot bulging,Deformation between test data and FEM by added mass and ALE,自主開發(fā)程序－MPFRAC,,自主開發(fā)程序－MPFRAC,,自主開發(fā)程序－MPFRAC,,,Crack tip and Mises stress distribution,Simu

32、lation of crack steady state propagation,西氣東輸X70管道的動態(tài)斷裂模擬和評估,程序平臺－MPFRAC,自主開發(fā)程序－MPFRAC,Flow field modeling and mesh,FE mesh partition,,程序平臺－MPFRAC/FLUENT,自主開發(fā)程序－MPFRAC,,程序平臺－MPFRAC/FLUENT,裂紋尖端區(qū)域Mach數(shù)分布,裂紋尖端區(qū)域速度分布,自主開發(fā)程序－

33、MPFRAC,,程序平臺－MPFRAC/FLUENT,Velocity distribution on cross-section (m/s),自主開發(fā)程序－MPFRAC,4 飛行器結(jié)構強度和屈曲分析,,CAE技術在飛行器結(jié)構仿真中的應用,,飛行器結(jié)構強度和屈曲分析,CompositesHomogeneous materialsReinforced materials,屈曲和后屈曲分析－弧長法,葉片夾持Flap deployed

34、by two actuators, one is jammedQuasi-static,,Jammed end,,Working End,,飛行器結(jié)構強度和屈曲分析,,飛行器結(jié)構強度和屈曲分析,Buckling occurs due to “twist and bend” deformation,,Displacements constrained,Flap deploymentSingle torque tube drives f

35、lapConnector elements,,Primary Flap,Secondary Flap,,,Wing,,飛行器結(jié)構強度和屈曲分析,起落架、下滑葉片和連接件設計結(jié)構與機構柔性件與剛性件,,飛行器結(jié)構強度和屈曲分析,,,Torque tube,,,Rigid Links,,“Join” connectors,起落架運動學與分析輪胎動力學耦合分析,問題復雜疊合過程超彈性橡膠材料沖擊,解決方案連接件與附加件形成機構

36、接觸算法顯式時間積分,,飛行器結(jié)構強度和屈曲分析,,5 點陣格柵材料力學性能及其應用,CAE技術在飛行器結(jié)構仿真中的應用,,發(fā)展新型材料對密度、剛度和強度的需求,各種材料密度與剛度和強度的關系,Lattice Materials,IsoTruss: Examples,Tension Rods,2-D Structure,優(yōu)化的點陣結(jié)構,普林斯頓材料學院 A.G..Evans2001年10月《輕型材料和結(jié)構》,點陣材料形式：

37、 三棱椎型， 金字塔型， 菱形波浪型。國外的點陣材料多為鋁合金。,,優(yōu)化的點陣結(jié)構,化塑性鉸式破壞為擴散式的整體破壞,,點陣復合材料結(jié)構,點陣復合材料最小單元體的有限元分析,,,CAE技術在飛行器結(jié)構仿真中的應用,1997年9月，錢學森院士已經(jīng)預見到虛擬工程與科學在未來世紀的重要性，他在為清華大學工程力學系建系40周年的賀信中寫道：“隨著力學計算能力的提高，用力學理論解決設計問題成為主要途徑，而試驗手段成為次要的了。由

38、此展望21世紀，力學加電子計算機將成為工程設計的主要手段，就連工程型號研制也只用電子計算機加形象顯示。都是虛的，不是實的，所以稱為“虛擬型號研制” (Virtual Prototyping)。最后就是實物生產(chǎn)了?！?Written by莊茁,© Copyright 2005,Thank You,2002-2005出版的書籍,莊茁譯，連續(xù)體和結(jié)構的非線性有限元，清華大學出版社，2002（原著，T. Belytschko, W

39、K Liu, B. Moran）（79萬字）郭乙木，陶偉明，莊茁編著，線性與非線性有限元及其應用，機械工業(yè)出版社，2003（42萬字）莊茁，蔣持平編著，工程斷裂與損傷，機械工業(yè)出版社，2004（19萬字）莊茁等譯，ABAQUS有限元軟件6.4版入門指南，清華大學出版社，2004（55萬字）張少實，莊茁編著，復合材料與粘彈性力學，機械工業(yè)出版社，2004（24萬字）莊茁，張帆，岑松等著，ABAQUS非線性有限元分析與實例，科學出