hyperworks弹簧受力分析

弹簧受力分析摘要：新一代飞机的设计对性能有更高的要求，需要有新的性能设计平台来应对这些挑战。Altair公司的HyｐｅrWorｋs在飞机结构有限元建模,结构优化及减重,碰撞平安性分析,复合材料零部件设计和运动机构仿真及优化等领域的技术已经被世界各大飞机制造商广泛采纳,成为事实上的现代飞机性能设计新平台。

关键字：HyｐerＷorｋsHｙｐerＭeｓhOptｉSｔｒucｔＲａｄiossMｏtｉoｎViewHｙpｅｒStudｙ飞机性能设计

近年来，以A38０，Ａ350,A４00M,Ｂ７８7，Ｆ３５为代表的新一代飞机，外形更大，重量更轻，飞得更远，载重量更大,机动性更好,突发情况下更平安，燃油经济性更好,确立了飞机性能设计的新标准,对现代飞机设计技术提出了一系列新的要求和挑战,需要有新的技术来应对。ﻫﻫ结构减重技术:能够清楚给出在给定设计空间内的最佳材料分布和确定零部件尺寸、外形和位置，从而工程师有足够的设计提示信息和依据，而不仅仅依靠阅历来进行结构的轻量化设计.ﻫﻫ复合材料设计技术：能够对复合材料零部件进行建模、仿真和优化，预估复合材料零部件的强度、刚度、破坏和疲乏特性，优化复合材料的展层角度、展层外形、展层数目和展层叠加次序.ﻫ

系统优化技术:能够在概念设计阶段优化结构传力路径和布局,削减设计后期风险;能够对飞机的性能参数进行优化，满意各种设计指标；能够进行多学科考虑，做到各子系统最优,总体系统也最优。

ﻫ碰撞平安性分析技术:能够对鸟撞、坠撞、水上迫降等工况进行仿真，评估并改进突发危险情况下的飞机平安性.ﻫﻫ缩短设计周期:能够快速进行ＣＡＥ建模、求解和结果评估，格外是把CAE前后处理的时间降下来,并且通过优化技术和流程削减人工的反复设计迭代.ﻫﻫAltaiｒ公司是世界领先的工程设计技术开发者,旗舰产品ＨｙperＷoｒks软件包含了HyｐerＭeｓｈ,OｐtiSｔrucｔ，Raｄioｓs,MotioｎViｅｗ，ＨyperStｕdy等闻名模块,是全球领先的企业级产品创新解决方案,目前全球客户超过4０00家,分布于汽车、航空航天、机械、电子、船舶、国防等各个行业。近十年来,HyｐerWorｋs专注于应对航空产业的最新进展趋势和挑战,以其创新平台设计技术帮助波音、空客、欧洲宇航防务、洛克西德马丁、欧洲直升机等公司设计新一代的飞机,取得了大量前所未有的工程成果，成为现代飞机性能设计的新平台，供应了一系列高效、优化、创新的新技术。ﻫ

一。有限元建模技术ﻫﻫ随着计算机硬件技术的进展,现代飞机的有限元模型规模越来越大,网格越来越精细，模型治理越来越简洁,格外是复合材料在飞机上的大规模应用使得单元属性数据大大增加.例如，B78７的前起落架舱屈曲计算模型,包含4７万个节点，4９万个单元，２.7万个部件和属性,以及一个超单元文件，传统的飞机有限元建模技术已经不能满意这些新的需求。ﻫﻫＨyperＭesh是一个高质量高效率的有限元前处理器，无缝支持Catiａ和Nasｔｒan等数十种CAD和CＡＥ模型;供应极其高效的有限元网格建模能力；供应功能强大的模型树视图和分级治理能力；供应了便利的整机和零部件载荷提取及施加能力.HyperMｅsh的这些特点，大大进步了飞机有限元建模的效率和质量,答应工程师把主要精力放在后续的对产品本身性能的讨论和改进上,从而大大缩短整个设计周期。

(1）前起落架舱网格模型ﻫ２)前起落架舱屈曲计算模型ﻫ图1波音公司利用HyperＭesh建立Ｂ7８7前起落架舱屈曲计算模型

图2ＨyperＭeｓh的FBD技术（自由体力图)帮助从整机模型提取完整的零部件载荷二.结构优化和减重技术

ﻫ“为减轻每一克重量而努力"是每个飞机设计工程师的工作信条。随着对飞机动力性能及经济性的要求越来越高，工程师必须在满意苛刻的设计要求的条件下，还要尽可能的减轻重量。此外,为了在设计的最初阶段就能考虑零件的性能，从而使设计具有良好的基因，设计后期不出技术风险，并削减设计反复,工程师必须在概念设计阶段就对产品进行优化设计。传统的参考现有机型或者阅历，并进行人工反复设计迭代的过程，已经满意不了新一代飞机结构设计的需要，需要有新的技术来满意重量、性能和设计周期的苛刻要求。ﻫﻫOｐtiStruct是一个是以有限元法为基础，面对产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器，拥有全球最先进的优化技术，供应最全面的优化方法,包括拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、外形优化以及自由尺寸和自由外形优化。OｐｔｉStrucｔ自从1９94年发布以来,被广泛而深进地应用到各个行业,在航空航天、汽车、机械等领域取得了大量革命性的成功应用,赢得了多个创新大奖。格外地,ＯptiSｔrｕct被应用于目前世界上几乎全部新一代飞机的研发中,为飞机结构优化和减重做出巨大贡献。ﻫ图３采纳OptiStruｃt技术进行结构优化和减重的飞机，累计优化上千个零部件，累计减重达数吨之多ﻫ图4A380前缘翼肋结构优化设计,每架飞机减重５00公斤三.碰撞平安性分析技术ﻫ

随着计算机软硬件技术的进展，采纳有限元技术对飞机突发危险情况下的平安性进行分析和评估已经成熟，鸟撞,坠撞，水上迫降等已经成为飞机研发过程的标准分析。ﻫﻫＲAＤＩOSS是闻名的通用数值分析软件包,具有显式、隐式求解器，拥有拉格朗日、欧拉、AＬＥ、SＰH等算法，及有限元、有限体积、边界元等数值处理技术；可用于解决结构的几何非线性（大位移、大转动和大应变)、材料非线性和接触非线性等非线性题目；也可以用于计算动载荷、静载荷下的固体结构、流体、流固耦合等题目.它格外适合于求解碰撞/鸟撞、被动平安／结构适撞性、爆炸/冲击、跌落、陆地/水上迫降，高频振动、超高速碰撞等非线性动力冲击题目,供应无与伦比的先进技术以帮助用户进步产品性能。在欧洲,Radiｏｓs是飞机平安性分析领域应用最多的软件，其上风包括:ﻫﻫ·与欧洲直升机公司合作开发了多种专业鸟体模型,包括２磅，4磅和8磅的AＬE和SPH格式鸟体模型，模型的参数都经过物理试验的修正，具有格外高的精度，可用于各种飞机的鸟撞分析。ﻫﻫ·支持各种飞机常用材料模型,格外地，支持丰富的复合材料撞击破坏模式，包括X-FEM，Hasｈin,Pｕcｋ,Lａdeveze/Aｌｌiｘ等,并且一种材料模式可以对应多种失效模式,大大进步了仿真的正确性.ﻫﻫ·支持多域并行仿真，选择质量缩放等独占的数值求解技术,大大进步计算效率和精度，适合大规模的飞机碰撞平安性分析题目。ﻫ图５欧洲直升机公司采纳Radioss进行鸟撞分析ﻫ图6空客公司采纳Ｒadioｓs进行复合材料机翼鸟撞分析ﻫ图7空客公司采纳RａｄｉosｓＳPH算法对A３20进行水上迫降分析四．复合材料技术ﻫﻫ复合材料以其比强度、比模量高，耐腐蚀、抗疲乏、减震、破损平安性能好等优点,在产业界取得了越来越多的应用,格外是在航空行业，由于钢铁和有色合金很难满意日趋苛刻的重量，力学等设计性能要求,复合材料更是得到了广泛的应用，例如B７8７和A350的复合材料应用都超过５0%。Altair公司具有全面的复合材料建模、分析和优化能力，包括：复合材料建模工具HyperLａmｉnatｅ，强度和失效分析工具Radｉｏss以及优化工具OpｔiＳｔruct。ﻫﻫHypｅrLamiｎaｔe是专业的复合材料前处理模块。利用这个模块可以便捷的对复合材料模型进行创建、检查和编辑,支持各种对称设置,支持各种材料本构关系和失效准则定义，支持展层方向可视化等。

图8采纳HypeｒLａminate建立复合材料机翼模型复合材料的强度和失效分析采纳RＡＤIOSS求解器,支持ＰCＯMP,PＣＯＭPG，PCOＭＰP(Ply＋Ｓｔａcｋ）定义方式,具有多种独占的单元格式可以精确的模拟分层特性，可以便利的求解出各展层的应力、应变和失效指数,仿真屈曲，压溃，撕裂等各种失效模式。

图9采纳Rａdioss进行复合材料分析OptiStrｕct具有强大而全面的复合材料优化能力,支持从最初的零件结构样式,到展层外形和厚度分布，到展层角度和层数的优化，到终极展层层叠次序的各个阶段的优化设计方法,可以考虑各展层的应力、应变、失效，屈曲等性能约束，供应了前所未有的复合材料优化解决方案.ﻫ图10空客公司采纳OｐｔiＳtruct进行复合材料机翼设计五.运动机构仿真和优化技术ﻫﻫ飞机存在大量的运动机构,如起落架，襟翼，舱门等,必须运用多体动力学技术对其进行分析和设计验证，并且对运动机构进行优化,使其满意各种性能要求.Altaiｒ公司的ＭoｔionＶiｅｗ及ＨyperStｕｄy模块可以圆满解决各种飞机运动机构仿真优化题目.ﻫﻫＭotionViｅｗ是一个通用的多体动力学仿真前处理器和可视化工具，具有简洁友好的界面,高效的建模语言,供应各种建模方法及丰富的工具集以进步建模效率。MoｔionＳｏlve是内嵌的一个功能强大的多体动力学求解器,支持运动学、静力学、准静力学、动力学、线性化、特征分析、状态矩阵输出及与MaｔＬaｂ接口。ＭotioｎVieｗ完全可以满意飞机运动机构建模及仿真的需要.ﻫ图11采纳ＭotｉｏnＶiew进行飞机起落架、襟翼及舱门运动机构仿真HｙpeｒStuｄy是一个独立于求解器的参数讨论、多学科优化和产品稳健性设计平台，具有简洁易用的流程化菜单,答应用户直接调用各种CAＥ求解器—包括线性、非线性、运动学、动力学、流体及各种多物理场求解器。HyperＳｔｕｄy可以结合ＭotｉｏnView对飞机运动机构的铰链位置、特性曲线和参数等进行优化。ﻫ图1２HｙperStudy优化舱门运动机构铰链点位置及弹簧特性ﻫ（1）基于MotｉｏnViｅｗ的起落架着陆仿真ﻫ（2)起落架缓冲器的阻尼特性曲线

（3）采纳HyｐerＳtｕｄy优化阻尼特性曲线ﻫ(4）优化设计满意设计要求ﻫ图13Alｔa