CAE技术在飞行器结构仿真中的应用-庄茁

,CAE技术在飞行器结构仿真中的应用庄茁清华大学航天航空学院,全国计算机辅助工程（CAE）技术与应用高级研讨会,2005.08.22,人类需要借助各种工具来增强、延伸和扩大自己认识世界的能力，虚拟科学与工程(VirtualScienceandEngineering)正是用高科技手段构造出一种人工环境，帮助工程师和科学家创造一个时域和空域可变的虚拟世界，使人们能够在这个虚拟世界中纵观古今，瞬扶四海，实现从必然王国到自由王国的认识过程。,CAE技术在飞行器结构仿真中的应用,清华大学航天航空学院成立于2004年5月18日,清华大学航空学院的历史追溯到1930年,清华大学航天航空学院,教授35名（含两院院士5名），副教授40名；研究生380名，其中博士生200名，硕士生180名；本科生350名，其中国防定向生95名；宇航员工程硕士班XX名。,学院概况,工程力学系，航天航空系；宇航中心，航空技术中心，国防战略研究中心，空天信息研究中心。,宇航中心,CAE技术在飞行器结构仿真中的应用,内容飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估飞行器结构的冲击失效与强度分析流体/结构耦合分析飞行器结构的强度和屈曲分析点阵格栅材料力学性能及其应用,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,CAE技术在飞行器结构仿真中的应用,StructuralIntegrityofAircraft,FailureofanEngine,WidespreadFatigueDamage,Repair,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,FRAME,LAPJOINT,STRINGER,STRINGER,SHELLPANEL,TEARSTRAPS,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,WFD,WidespreadFatigueDamage（WFD）,WFDIncreasesSafetyConcernsMustbeabletoAssessWFDRisksIncorporateProbabilisticMethodologies,IntegrateExistingProbabilisticandDeterministicProcedurestoPerformWFDAnalysesPerformStudiesonSelectedAgingAircraftComponentstoDemonstrateFeasibilityProvideaCompleteStand-AloneAnalysisCapabilityfortheAircraftIndustry,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,DeterministicAnalysisRequirements,Fast,AccurateCalculationofStressIntensityFactorElastic-PlasticFiniteElementAlternatingMethod(EPFEAM)MustAcceptaWideVarietyofInputsfromProbabilisticRoutineLoads,Properties,Geometry,Cracks,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,WFDApplications,Boeing737LapSpliceJoint707WingSkinPressureDome,WidespreadFatigueDamage,FRAME,LAPJOINT,STRINGER,STRINGER,SHELLPANEL,TEARSTRAPS,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,FuselageFractureAnalysisApproach,CaptureGlobalLoadFlow,DetailedModelsofStingersandFrames,FractureAnalysis,GlobalModel,IntermediateModel,LocalModel,ThreeLevelsofAnalysis,StandardFEPackage,FiniteElementAlternatingMethod,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,SystemArchitecture,StandardFEMAnalysis,PWFDInput,GlobalModel,IntermediateModel,LocalModel,StandardFEMAnalysis,EPFEAM,FractureSolutions,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,SKIN:8-NODESHELLFRAME:3-NODEBEAMSTRINGER:3-NODEBEAMRIVET:SPRING,ANALYSISAPPROACH:STANDARDFEM,GlobalModel,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,SKIN:8-NODESHELLFRAME:4-NODESHELLSTRINGER:4-NODESHELLRIVET:SPRING/BEAM,IntermediateModel,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,LocalModel,SKIN:8-NODEISOPARAMETRICELEMENT,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,IsolatedSkinwithReactionForcesfromtheStiffeners,FarFieldTraction,FastenerReactionForces,AutomationofAnalysis,MeshGenerationAutomaticallyfromPhysicalInputssuchasSkinThickness,StringerSpacingetc.HierarchicalAnalysisGlobal-Intermediate-LocalBenefit:EliminatesAnalysisDifficultiesforUsers,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,WFDConfiguration1:Boeing737LapJoint,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,IntermediateModel,737Frame,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,GlobalAnalysisResultsDisplacements,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,GlobalAnalysisResultsMagnifiedDisplacements,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,GlobalAnalysisResultsStresses&Displacements,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,GlobalAnalysisResultsStresses,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,IntermediateAnalysisResults:HoopStresses,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,IntermediateAnalysisResults:HoopStresses,FiniteElementAlternatingMethod,AdvantagesFastandAccurateNoExplicitModelingofCrackTipSameMeshcanbeUsedforDifferentCrackConfigurationsElasticandElasticPlastic2Dand3D,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,Advanced2DFEAM,ElasticorElastic-PlasticAnalysesPlasticityTheory:FloworDeformationTheoryComputationofK,JandT*StableTearingMixedModeFractureMultipleCracks:ArbitraryLocationandOrientationLoading:Traction,Nodalforce,Non-zeroDisplacement,ResidualStressesResidualStrengthCalculationsExpandedElementLibrary,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,Advanced3DFEAM,ElasticorElastic-PlasticAnalysesPlasticityTheory:DeformationTheoryOnlyComputationofK,JandT*MixedModeFractureMultipleCracks:ArbitraryLocationandOrientationLoading:Traction,Nodalforce,Non-zeroDisplacement,ResidualStressesResidualStrengthCalculationsExpandedElementLibrary,飞行器结构疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,2飞行器结构的冲击失效与强度分析,CAE技术在飞行器结构仿真中的应用,14,670shellelementsRotatingvelocity:10,000rpmDiameterofCasing:900mm,FanBlades,Casing,FanRotorModel,飞行器结构的冲击失效与强度分析,飞鸟撞击发动机叶片,飞行器结构的冲击失效与强度分析,ObtainsteadystaterotationsolutionwithABAQUS/Standardandpasssteadystatedeformedshape,stressesandstrainsintoABAQUS/Explicitforsubsequentanalysis,Birdstrike,BirdweightImpactvelocityCase1680g120m/sCase2680g200m/sCase31814g200m/s,飞行器结构的冲击失效与强度分析,Bird,CylindricalshapeNearlyincompressiblematerialShearfailure,Casing,Definedasrigidbody,Blades,Elastic-plasticmaterialContactBetweenbladesandbirdBetweenbladesandcasing,飞行器结构的冲击失效与强度分析,Case1:680gbird120m/svelocity,1msec,5msec,CPUTime:120min(HPJ5000),飞行器结构的冲击失效与强度分析,Case2:680gbird200m/svelocity,1msec,5msec,Case3:1814gbird200m/svelocity,1msec,5msec,飞行器结构的冲击失效与强度分析,Largeplasticstrainexperiencedatrootofsomebladesleadstocontactwithcasing,Bladeoff,5msec,飞行器结构的冲击失效与强度分析,飞行器结构的冲击失效与强度分析,FanBladeContainmentFanbladefailureatrootduetoFatigueLargeplasticstraincausedbybirdstrikeCasingdesignedtocontainreleasedbladeLookatdifferentcasingthickness:5,4and3mm,CasingElastic-plasticmaterialShearfailure,BladesElastic-plasticmaterialContactwithBladesCasing,飞行器结构的冲击失效与强度分析,5mmthickness,2msec,10msec,CPUTime:241min(HPJ5000),飞行器结构的冲击失效与强度分析,4mmthickness,2msec,10msec,飞行器结构的冲击失效与强度分析,3mmthickness,2msec,4msec,Damagecomparison,5mmthickness,4mmthickness,3mmthickness,飞行器结构的冲击失效与强度分析,飞行器结构的冲击失效与强度分析,碳纤维束z-向增强迭层复合材料,飞行器在使用过程中，会受到鸟撞、弹丸破片等冲击，在维护过程中也容易受到维修工具的碰撞。,为了提高复合材料层合板的抗冲击性能，在垂直于层板方向用碳钉（z-pin或z-fibre）增强，称为Z向加强（增韧）。,飞行器结构的冲击失效与强度分析,Topview(5ps),Snapshotafter(1ps),RigidtoolonsinglecrystalcopperNVEsystemBottomandrightfixedPBCinydirection16000atoms(20X20X10)Cuttingvelocity1000m/sCuttingdirection(100)Potential,磨损力学-MD模拟,3流体/结构耦合分析,CAE技术在飞行器结构仿真中的应用,流体/结构耦合分析,程序平台：ABAQUS/用户单元附加质量,例2：动力作用下的液体贮箱,ElephantfootbulgingDiamondshapebulging,EFBandDSB,EFBandDSB,流体/结构耦合分析,程序平台：ABAQUS/ALE流体单元,例2：动力作用下的液体贮箱,Elephantfootbulging,DeformationbetweentestdataandFEMbyaddedmassandALE,自主开发程序MPFRAC,自主开发程序MPFRAC,自主开发程序MPFRAC,CracktipandMisesstressdistribution,Simulationofcracksteadystatepropagation,西气东输X70管道的动态断裂模拟和评估,程序平台MPFRAC,自主开发程序MPFRAC,Flowfieldmodelingandmesh,FEmeshpartition,程序平台MPFRAC/FLUENT,自主开发程序MPFRAC,程序平台MPFRAC/FLUENT,裂纹尖端区域Mach数分布,裂纹尖端区域速度分布,自主开发程序MPFRAC,程序平台MPFRAC/FLUENT,Velocitydistributiononcross-section(m/s),自主开发程序MPFRAC,4飞行器结构强度和屈曲分析,CAE技术在飞行器结构仿真中的应用,飞行器结构强度和屈曲分析,CompositesHomogeneousmaterialsReinforcedmaterials,屈曲和后屈曲分析弧长法,叶片夹持Flapdeployedbytwoactuators,oneisjammedQuasi-static,Jammedend,WorkingEnd,飞行器结构强度和屈曲分析,飞行器结构强度和屈曲分析,Bucklingoccursdueto“twistandbend”deformation,Displacementsconstrained,FlapdeploymentSingletorquetubedrivesflapConnectorelements,PrimaryFlap,SecondaryFlap,Wing,飞行器结构强度和屈曲分析,起落架、下滑叶片和连接件设计结构与机构柔性件与刚性件,飞行器结构强度和屈曲分析,Torquetube,RigidLinks,“Join”connectors,起落架运动学与分析轮胎动力学耦合分析,问题复杂叠合过程超弹性橡胶材料冲击,解决方案连接件与附加件形成机构接触算法显式时间积分,飞行器结构强度和屈曲分析,5点阵格栅材料力学性能及其应用,CAE技术在飞行器结构仿真中的应用,发展新型材料对密度、刚度和强度的需求,各种材料密度与刚度和强度的关系,LatticeMaterials,IsoTruss:Examples,TensionRods,2-DStructure,优化的点阵结构,普林斯顿材料学院A.G.Evans2001年1