CAE在航天领域中的应用

数学1002徐文超410630561CAE在航天领域中的应用徐文超北京科技大学数理学院摘要：计算机辅助优化在各个领域都有广泛的用途。此文主要是介绍CAE/CAD在航天领域中的应用。其中涉及到航天器零件的构造。在介绍零件构造中详细的介绍如何构造。关键词：CAE应用，有限分析，计算机辅助造型以及有限元法是随着计算机技术的应用而发展起来的一种先进的CAD/CAE技术,广泛应用于各个领域中的科学计算、设计、分析中,成功的解决了许多复杂的设计和分析问题,已成为工程设计和分析中的重要工具。一、Marc软件简介Msc.Marc/Mentat是国际上通用最先进非线性有限元软件，它是MSC.Softwarecoorperation(简称MSC)公司的产品。MSC.Mentat是新一代非线性有限元分析的前后处理图形交互界面。前者严密整合MSC.Marc和MSC.Mentat成为解决复杂工程问题，完成学术研究的高级通用有限元软件。MSC.Marc是功能齐全的高级非线性有限元软件的求解器，它体现了30多年来有限元分析的理论方法和软件的完美结合。它具有极强的结构分析没能力。可以处理各种线性和非线性结构分析。它提供了丰富的机构单元，连接单元和特殊单元的单元库。MSC,Marc的机构分析材料库提供了模拟金属，非金属，聚合物，岩土，复合材料等多种线性和非线性问题的求解技术。为了进一步提高计算精度和分析效率，MSC.Marc软件提供了多种功能强大的加载步长自适应控制技术，自动确定分析加载步长。MSC.Marc卓越的网格自适应技术，以多种误差准则自动调节网格疏密，即保证了计算精度，同时也使非线性分析的计算效率大大提高。此外，MSC.Marc支持全自动网格重划，用以纠正过度变形产生的网格畸变，确保大变形分析的继续进行。CAE概念：CAE(ComputerAidedEngineering)：计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。在这里所介绍的CAE还包括CFD(ComputationalFluidDynamic)、计算多体动力学(ComputationalDynamicofMulti-bodySystem)等其它利用计算机辅助求解的数值计算方法。CAE解决问题的一般过程：数学1002徐文超410630562Msc/Marc的系统结构：CAE方法体系：限元法，限差分法，限体积法，边界元法。①Ansys应用基本过程考虑分析类型和建模方法，建立几何模型，设置单元类型、实常数（截面）、材料等属性，指定单元属性并划分网格，设置分析类型和参数，计算求解，结果查看。结构分析常用问题几何建模方法（自顶向下，自底向上），单元类型选择（Beam4、Beam188、Beam189、Shell63、Shell93、Solid92等），约束类型（集中载荷、分布载荷、惯性载荷、位移约束、温度约束等），动力学分析与静力分析区别（考虑惯性力和阻尼力），非线性问题。具体分析：静力学分析:这是对二维或三维的机械结构承载后的应力、应变和变形分析,是有限元法在机械工程中最基本、最常用的分析类型。当作用在结构上的载荷不随时间变化或随时何的变化十分缓慢,应进行静力学分析。模态分析:这是动力学分析的一种，用于研究结构的固有频率和自振型式等振动特性。进行这种分析时所施加的载荷只能是位移载荷和预应力载荷。谐响应分析和瞬态动力学分析:这两类分析也属动力学分析，用于研究结构对周期载荷和非周期载荷的动态响应。热应力分析:这类分析用于研究、结构的工作温度不等于安装温度时，或工作时结构内部存在温度分布时,结构内部的温度应力。接触分析:这是一种状态非线性分析，用于分析2个结构物发生接触时的接触面状态、数学1002徐文超410630563法向力等。由于机械结构中结构与结构间力的传递均是通过接触来实现的,所以有限元法在机械结构中的应用很多都是接触分析。但是，以前受计算能力的制约,接触分析应用的较少。屈曲分析:这是一种几何非线性分析，用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态形状，例如压杆稳定性问题。②Fluent应用基本过程考虑分析方法和建模过程，建立网格模型（利用Gambit建立几何模型、划分网格并指定边界类型），设置计算类型、边界条件、初始条件和计算条件，求解计算，结果后处理。常见问题定常与非定常，可压缩与不可压缩，湍流模型，有粘与无粘二、航天器零件构造在三维设计中，设计了一个尾喷管，一个舵，还有一个机翼，其中尾喷管由四部分组成，包括内部的支撑部分，和外部的蒙皮部分。舵和机翼都是由两个以上的蒙皮表面构成。在有限元分析中，包括金属薄板的弹塑性分析，以及舵面的弹塑性分析，其中还对薄板进行了超塑性分析。传统的航天零件产品设计、模具设计及加工都是根据二维工程图样来完成的，加工出的产品数据精度不高，往往要不断的修改产品设计，不断的修改模具，所以，它的研发周长、成本高；采用最新的CAD/CAE/CAM——Pro/Engineer软件来实现三维设计，可以大大缩短产品研发周期、模具设计周期和加工周期，提高了产品设计的准确性，大大降低产品开发、模具设计成本。由于其功能强大，模块众多，使用者要具备较高的操作技巧和较丰富的应用经验才能熟练地进行建模。这对于普通的设计人员而言，使用Pro／E提供的实体建模模块进行3D造型设计并非易事，需要设计人员花大量的时问和精力来熟悉Pro／E的建模技术和掌握一定的技巧。在实体造型的过程中，要根据二维图纸上的尺寸来进行设计，有一些复杂曲线在pro/E中要灵活对待，也许不同的人对设计同一个零件要花费的时间会相差很大，这就是在绘制图形的时候所用到的方法不同而导致的。比如一个不同截面的实体用可变截面扫描的方法会最省时间，再比如一个简单的立方体可以用扫描的方法，也可以用拉伸的方法，一块薄板周围有一些不同角度的翘板，考虑是在标准模式下造型还是在板金模式下造型。在三维建模中，首先对火箭喷管进行了造型，根据二维图纸的尺寸形状对喷管的内部支撑结构件进行了分段处理，如下面两张图：图4.1某航天器尾喷管三维设计图（1）在对喷管的外部蒙皮进行同样的处理方式如下面两张图：数学1002徐文超410630564图4.2某航天器尾喷管三维设计图（2）然后对这四个零件进行组装，组装效果图如下：图4.3某航天器尾喷管三维设计图（3）在三维造型中，相对困难的是曲面造型，尤其是自由曲面，在这次讨论中的一个零件设计到多曲面的造型，如图7所示。在造型过程中要把握各个面之间的角度关系，因为是多面体，很可能出现过度约束的情况，这样就导致无法造型。舵的造型中有四个相互成不同角度的平面，这就先要产生四组不同方向的八个基准平面，且每组中的两个基准面都要相互垂直，如下图：数学1002徐文超410630565图4.4在pro/E中的多曲面的情况最后得到的效果图如下：图4.5舵的三维造型（复杂型面）在就是对机翼进行三维造型，同样也是利用二维图纸的尺寸形状来作为造型依据。它是一个有两个成不同角度的平面构成的，效果图如下：图4.6机翼的三维造型三、低温压力容器压力容器广泛应用于航空航天、机械动力、石油化工等领域。现代工业的深入发展对压力容器的设计制造提出了更加严格的要求。作为压力容器的一个重要分支，低温压力容器不但具有常规压力容器的共性，而且具有自身的独特性，这为低温压力容器的设计和分析提出了更为严格的要求。以往，压力容器的设计主要是采用基于弹性失效准则的规则设计(DBF),该种设计方法虽然简单易行，却忽略了压力容器应力的不同性质和对结构失效的影响程度，使得设计出来的容器粗大笨重,不符合压力容器设计经济性要求。以弹塑性失效为基础的分析设计(DBA)为压力容器的合理设计提供了一种新的方法。然而，由于一些非标容器的结构复杂性及设计理论的不完善，分析设计仍然没有得到广泛应用。不连续区局部应力分析数学1002徐文超410630566不连续区通常分为两大类：总体结构不连续区和局部结构不连续区。总体结构不连续是指几何形状或材料的不连续，使结构在较大范围内的应力或应变发生变化，对结构总的应力分布与变形产生显著影响。例如封头与壳体连接，法兰与壳体(或管子)连接区，接管区，不同直径，不同厚度或不同材料的连接处等。局部结构不连续是指仅使结构在很小范围内的应力或应变发生变化，对结构总的应力分布与变形无显著影响的不连续。例如小的过渡圆角处、壳体与小附件连接处、未全熔透的焊缝等。在载荷作用下，不连续区由于变形不协调而产生了附加的弯矩，导致这些区域的应力远大于其它部位的应力，使得这些区域极易成为压力容器失效的起源。在忽略计算误差的情况下,ANSYS计算结构应力有着较高的精度。国内外的许多研究者已经运用ANSYS对不连续区的应力状况进行了广泛的研究[1-2],取得了较为满意的结果。热应力分析在压力容器的受压元件中，除了承受由载荷(压力、外载)产生的机械应力外，由于在运行过程中元件的温度场发生变化，还将承受热应力的作用。产生热应力的原因主要是温度变化产生的热膨胀受到了限制。受压元件的热应力按温度场的变化情况不同一般可分为两种基本类型:稳态热应力和非稳态热应力。热应力在有些领域是相当普遍的，例如在低温行业,在对低温气瓶或低温储槽加注液体时，由于大温差的存在会在筒壁产生瞬时热应力，如果在短时间内大量加注，所产生的热应力会更高，这对低温容器的使用是极为不利的。基于有限元的ANSYS程序是依据耦合场的思想来解决热应力问题的，直接法和间接法是两种常用的方法。直接法是直接采用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得到热分析和结构应力分析的结果;间接法则是先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施加到结构应力分析中。对于运作在高温领域和低温领域的压力容器而言，热应力的影响是不容忽视的，在某些条件下甚至是压力容器失效的主要因素。然而由于这方面理论分析的不成熟和实验手段的限制，运用以AN2SYS为代表的有限元程序来解决此类问题将是个切实可行的方法。接触应力分析数学1002徐文超410630567接触问题与接触面的状况，材料的特性有关，具有高度的非线性，一直是力学研究中的难点。但接触问题在压力容器中却是不可回避的，法兰与螺栓的连接、补强圈与筒体之间的连接等都属于接触问题，在卧式低温储槽和槽车中内外筒之间一般会采用玻璃钢管支撑，在储槽和槽车运输或运行过程中，玻璃钢管与内筒的接触状态随时间变化，这是接触问题的典型。在对压力容器设计和应力计算时，往往对接触的部分进行了简化，这和实际情况是不相符的。为了分析接触问题的实际状况和应力，ANSYS开发了接触单元：点-点接触单元(图1)、点-面接触单元(图2)、面-面接触单元(图3)。优化问题的基本原理是通过建立优化模型，运用各种优化方法，在满足设计要求的条件下，求得目标函数的极值，得到最优的设计方案。在满足约束条件Ca和Cb的情况下,求取目标函数F(x)的极值问题。其数学模型可描述为如下形式：minF(x)=F(x1,x2,…,xn)Ca=Ca(x1,x2,„,xn)≤0(a=1,2,„,m)Cb=Cb(x1,x2,„,xn)=0(b=1,2,„,n)X=[x1,x2,…,xn]TANSYS的参数化设计语言为压力容器的优化设计提供了极大的便利，压力容器的壁厚、重量、体积、构件的相对尺寸、过渡转角等都可以成为优化的对象。为了解决大部分的优化数学1002徐文超410630568问题，ANSYS程序提供了两种优化方法，零阶方法(子问题近似法)和一阶方法。无论对于哪一种方法，程序都要执行一系列“分析-评估-修正”的循环。ANSYS优化分析的数据流程：ANSYS的优化过程大致可分以下几步：(1)建立分析文件；(2)建立优化参数；(3)进入优化选项并指定分析文件；(4)声明优化变量(指定设计变量、状态变量和目标函数)；(5)选择优化工具；(6)指定优化循环控制；(7)执行优化分析；(8)查看优化结果；四、航空航天铝合金铸件在铝合金压铸件上的应用图1是