案例 | ANSYS多物理場(chǎng)耦合在飛艇設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2017-03-10 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

美國蒙特韋約世界航空公司在進(jìn)行上一代飛艇設(shè)計(jì)時(shí),工程師采用手工計(jì)算方法建立基本設(shè)計(jì)參數(shù),以及確定發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸。工程師認(rèn)為采用當(dāng)時(shí)的工具執(zhí)行仿真需要大量時(shí)間,因而不適合在概念設(shè)計(jì)階段使用。在暫時(shí)確定了基本設(shè)計(jì)參數(shù)之后,工程師采用包括計(jì)算流體力學(xué)(CFD)和有限元分析(FEA)在內(nèi)的仿真工具對(duì)推薦的概念設(shè)計(jì)進(jìn)行更詳細(xì)的評(píng)估。

在40E新型飛艇設(shè)計(jì)中,公司決定充分發(fā)揮仿真軟件的優(yōu)勢(shì),Aeros選擇ANSYS軟件,首先因?yàn)锳NSYS軟件具有經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù),其仿真結(jié)果可以獲得工程師和現(xiàn)有客戶的認(rèn)可。其次,ANSYS可以在統(tǒng)一環(huán)境下,提供幾乎涵蓋飛艇設(shè)計(jì)過程中所有方面的各種工具。他們采用ANSYS Fluent CFD評(píng)估新型飛艇的空氣動(dòng)力學(xué),通過獲取的壓力值作為ANSYS Mechanical中的邊界條件,來評(píng)估飛艇組件的機(jī)械性能,同時(shí)采用ANSYSDesignXplorer快速迭代設(shè)計(jì)參數(shù),達(dá)到規(guī)定設(shè)計(jì)目標(biāo)的最優(yōu)方案。從而節(jié)約時(shí)間和金錢。

飛艇的新型起落架設(shè)計(jì)是仿真技術(shù)應(yīng)用的很好驗(yàn)證。通過在起飛過程中為飛行員提供實(shí)時(shí)靜升力數(shù)據(jù),起落架現(xiàn)在能夠提高性能、安全性和操作授權(quán),同時(shí)改進(jìn)后的減震力控制能夠確保更平穩(wěn)的降落。飛艇的飛行管理系統(tǒng)可以主動(dòng)控制減震器的減震特性。起落架的高度有所增加,以加大推進(jìn)器與地面之間的間隙,從而提高地勤人員的安全性。起落架另外也進(jìn)行了升級(jí),以應(yīng)對(duì)更重的新飛艇。

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工程師采用ANSYS剛體動(dòng)力學(xué)模塊模擬起落架中的結(jié)構(gòu)組件、彈簧、減震器和輪胎。通過重現(xiàn)滿載飛艇降落過程的跌落試驗(yàn)可以確定起落架的最大載荷。工程師以各種速度和接近角對(duì)飛艇降落進(jìn)行了一系列剛體動(dòng)力學(xué)仿真。為了調(diào)節(jié)彈簧與減震器,對(duì)仿真進(jìn)行了迭代。采用一系列不同性能特征評(píng)估了各個(gè)設(shè)計(jì)迭代,如:最小的推進(jìn)器/離地間隙、各點(diǎn)載荷以及降落過程中輪胎彈離地面的次數(shù)與高度。

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剛體動(dòng)力學(xué)模塊算出的載荷可用作ANSYS Mechanical 的邊界條件,從而對(duì)單獨(dú)組件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。采用空氣動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果作為邊界條件實(shí)施了其它ANSYS Mechanical仿真。工程師針對(duì)眾多組件采用DesignXplorer 尋找符合結(jié)構(gòu)與功能要求的最輕設(shè)計(jì)。盡管40E 比40D重得多,不過仿真能夠在不提高應(yīng)力水平的情況下降低眾多關(guān)鍵部件的重量,從而實(shí)現(xiàn)整體重量減輕。例如,40D 中一個(gè)厚度為0.5 英寸的部件降低到0.25 英寸多一點(diǎn),從而使重量降低了40%。

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Aeros 的工程師估計(jì)如果是采用公司以前的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)起落架,則做好原型的準(zhǔn)備工作就需要至少4 個(gè)月的時(shí)間。此外,他們估計(jì)至少需要重復(fù)2 個(gè)甚至3 個(gè)原型迭代,而且每次迭代都需要6 個(gè)月的時(shí)間。因此,起落架設(shè)計(jì)可節(jié)約8.5~20.5 個(gè)月的時(shí)間。同時(shí)還大量節(jié)省了工程和原型構(gòu)建方面的費(fèi)用。

Aeros的工程師相信,與40D的設(shè)計(jì)方法相比,仿真能夠顯著降低40E眾多組件的重量。這些節(jié)約能夠降低制造成本,同時(shí)也可以在飛艇使用過程中為Aeros的客戶節(jié)省燃料。制造方面的節(jié)約可能會(huì)比原型構(gòu)建過程中的節(jié)約多很多倍。

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