案例 | ANSYS多物理場耦合在飛艇設(shè)計中的應(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行上一代飛艇設(shè)計時,工程師采用手工計算方法建立基本設(shè)計參數(shù),以及確定發(fā)動機尺寸。工程師認為采用當時的工具執(zhí)行仿真需要大量時間,因而不適合在概念設(shè)計階段使用。在暫時確定了基本設(shè)計參數(shù)之后,工程師采用包括計算流體力學(xué)(CFD)和有限元分析(FEA)在內(nèi)的仿真工具對推薦的概念設(shè)計進行更詳細的評估。

在40E新型飛艇設(shè)計中,公司決定充分發(fā)揮仿真軟件的優(yōu)勢,Aeros選擇ANSYS軟件,首先因為ANSYS軟件具有經(jīng)過驗證的技術(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)計過程中所有方面的各種工具。他們采用ANSYS Fluent CFD評估新型飛艇的空氣動力學(xué),通過獲取的壓力值作為ANSYS Mechanical中的邊界條件,來評估飛艇組件的機械性能,同時采用ANSYSDesignXplorer快速迭代設(shè)計參數(shù),達到規(guī)定設(shè)計目標的最優(yōu)方案。從而節(jié)約時間和金錢。

飛艇的新型起落架設(shè)計是仿真技術(shù)應(yīng)用的很好驗證。通過在起飛過程中為飛行員提供實時靜升力數(shù)據(jù),起落架現(xiàn)在能夠提高性能、安全性和操作授權(quán),同時改進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。起落架另外也進行了升級,以應(yīng)對更重的新飛艇。

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工程師采用ANSYS剛體動力學(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飛艇降落進行了一系列剛體動力學(xué)仿真。為了調(diào)節(jié)彈簧與減震器,對仿真進行了迭代。采用一系列不同性能特征評估了各個設(shè)計迭代,如:最小的推進器/離地間隙、各點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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剛體動力學(xué)模塊算出的載荷可用作ANSYS Mechanical 的邊界條件,從而對單獨組件進行結(jié)構(gòu)分析。采用空氣動力學(xué)仿真結(jié)果作為邊界條件實施了其它ANSYS Mechanical仿真。工程師針對眾多組件采用DesignXplorer 尋找符合結(jié)構(gòu)與功能要求的最輕設(shè)計。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,從而實現(xiàn)整體重量減輕。例如,40D 中一個厚度為0.5 英寸的部件降低到0.25 英寸多一點,從而使重量降低了40%。

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Aeros 的工程師估計如果是采用公司以前的設(shè)計方法設(shè)計起落架,則做好原型的準備工作就需要至少4 個月的時間。此外,他們估計至少需要重復(fù)2 個甚至3 個原型迭代,而且每次迭代都需要6 個月的時間。因此,起落架設(shè)計可節(jié)約8.5~20.5 個月的時間。同時還大量節(jié)省了工程和原型構(gòu)建方面的費用。

Aeros的工程師相信,與40D的設(shè)計方法相比,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)約可能會比原型構(gòu)建過程中的節(jié)約多很多倍。

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