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有限元分析方法在無人機結構設計中的應用

放大字體  縮小字體 發布日期:2020-05-18  來源:仿真技術應用聯盟  瀏覽次數:667
核心提示:在工業4.0的大背景下,智能制造時代已悄然來臨。為提高效率,降低成本,在產品設計之初就能對產品的技術性能有較為準確的預測,
     在工業4.0的大背景下,智能制造時代已悄然來臨。為提高效率,降低成本,在產品設計之初就能對產品的技術性能有較為準確的預測,有限元法 (Finite Element Method, FEM) 在智能制造時代扮演的角色越來越受到人們的重視。
    目前,有限元分析法已從解決產品設計生產過程中的單一問題的工具,逐漸發展成為從產品概念設計開始,到產品詳細設計、產品生產過程設計、產品運行過程監控仿真的產品全生命周期仿真優化設計平臺。
    有限元法興起于20世紀50年代末,是一種為求解偏微分方程邊值問題近似解的數值技術,最初主要用來求解飛機結構的靜力及動力特性。隨后應用范圍很快擴展到熱力學、電磁學、流體力學等,連續性物理問題。
    有限元分析法的求解思想就是將復雜問題區域進行離散化分割,分割成許多子區域,對每個子區域進行求解,得到近似解,再通過變分使得誤差函數達最小值,此時便得到了整個問題區域的近似解。
某導彈艙段的簡化模型及離散化有限元網格模型
 
    有限元的求解思想與我國古代數學家劉徽通過“割圓術”求解圓周率的思想有異曲同工之妙,將圓分割的份數越多,圓內接多邊形的面積越接近圓的面積。
割圓術示意圖
 
    實際工程問題大多都十分復雜且難以得到精確解,而有限元技術不僅計算精度高,還能求解各種復雜形狀和不同物理場,因此很快成為一種解決實際工程問題的行之有效的方法。
    如今隨著計算機技術及計算數學的發展,各種商用有限元計算軟件層出不窮,商用有限元計算軟件的操作也越來越人性化。目前較為常用的有限元分析軟件有ANSYS、Abaqus、Patran/Nastran,這幾款軟件基本功能大多相同,但又各有所長。
ANSYS
    ANSYS以壓力容器計算出生,在收購了一系列流體、電磁等領域專業軟件后,目前應用領域包括結構力學、流體力學、電路學、電磁學、熱力學、聲學、化學化工反應等,在多物理場耦合方面具有較大優勢。
ANSYS 多物理場耦合分析

ABAQUS
    ABAQUS以求解非線性問題見長,應用領域包括結構力學、非線性動力學、海洋工程結構分析、水下沖擊分析、柔體多體動力學、熱傳導等。
ABAQUS 沖擊分析

Patran/Nastran
    Patran/Nastran出生自NASA,是一款大型通用結構有限元分析軟件,主要應用于航空航天領域,在線性有限元分析和動力學計算方面具有優勢,此外求解器求解效率要高于ANSYS。
Nastran 飛機發動機葉片顯式非線性分析
    在無人機結構設計中,從方案設計到結構細節設計,從靜力學分析到結構動力學分析,從結構工藝設計到疲勞壽命預測,有限元法已滲透到無人機結構設計的各個環節,主要可總結為以下幾點
1、總體方案設計階段
    在無人機總體方案設計初期,需要快速的計算驗證和反復迭代改進,最終確定滿足設計要求的總體結構方案,而此時利用有限元法對簡化的總體結構模型進行計算驗證,能夠很快的得到計算結果,驗證方案可行性。
 
2、細節結構設計階段
    利用有限元法,對無人機結構進行靜力學結構靜力學計算、模態分析、動響應分析、結構熱變形及熱應力分析等,結構設計人員能夠快速得知所設計無人機細節結構的可行性并進行迭代優化設計。
3、結構工藝成型設計階段
    此階段可以通過現成的工藝設計有限元軟件對無人機結構工藝方案進行設計,尤其對于機身有復合材料結構件的無人機,復合材料部件工藝方案設計的好壞將直接影響無人機的整體性能。
    以復合材料結構件成形工藝中的樹脂傳遞模塑 (RTM) 成型工藝為例,大型結構件一體成型時,事先對樹脂充型過程進行有限元模擬,能夠指導工藝設計人員合理的安排布置樹脂導流管及樹脂出入口以避免干斑的出現。
復合材料船體結構RTM成型工藝仿真

4、后期力學實驗階段
    由于無人機上搭載著多種傳感器與電子設備,無人機結構設計完成后,需要進行整機力學實驗以驗證整機結構,此時對整機進行有限元分析,能夠預測無人機上各設備的力學環境,獲得整機及設備在不同頻率下的振動響應趨勢,這些信息對于整機力學實驗具有重要的參考價值。
5、無人機使用維護階段
    關鍵部位零部件疲勞壽命預估及使用過程中局部損壞結構的損傷分析,能夠使無人機維護人員提前發現潛在危險并及時采取措施,最大限度降低無人機由于疲勞及結構損傷造成的經濟損失。

 
關鍵詞: 玻璃纖維 復合材料
 
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