案例 | ANSYS多物理場耦合在飛艇設計中的應用

2017-03-10 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

美國蒙特韋約世界航空公司在進行上一代飛艇設計時,工程師采用手工計算方法建立基本設計參數(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計階段使用。在暫時確定了基本設計參數(shù)之后,工程師采用包括計算流體力學(CFD)和有限元分析(FEA)在內的仿真工具對推薦的概念設計進行更詳細的評估。

在40E新型飛艇設計中,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軟件具有經過驗證的技術,其仿真結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,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快速迭代設計參數(shù),達到規(guī)定設計目標的最優(yōu)方案。從而節(jié)約時間和金錢。

飛艇的新型起落架設計是仿真技術應用的很好驗證。通過在起飛過程中為飛行員提供實時靜升力數(shù)據,起落架現(xiàn)在能夠提高性能、安全性和操作授權,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,以應對更重的新飛艇。

工程師采用ANSYS剛體動力學模塊模擬起落架中的結構組件、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仿真。為了調節(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。

剛體動力學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構分析。采用空氣動力學仿真結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 尋找符合結構與功能要求的最輕設計。盡管40E 比40D重得多,不過仿真能夠在不提高應力水平的情況下降低眾多關鍵部件的重量,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%。

Aeros 的工程師估計如果是采用公司以前的設計方法設計起落架,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)省了工程和原型構建方面的費用。

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

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