飛機" title="飛機">飛機一般由機翼,、機身,、起落架和飛機操作系統(tǒng)組成，其結構受力復雜,，用以往的經典工程分析進行應力分析已滿足不了現代飛機型號設計的要求,，花費的時間長，分析的部位具有局限性,。隨著大型計算機及工作站的出現和大量工程應用軟件的投入使用,，使得復雜的工程問題得以用有限元法進行分析。從而使航空結構分析走上CAE的道路,。使用有限元對飛機結構進行分析具有極大的優(yōu)越性,。
ANSYS" title="ANSYS">ANSYS程序是一個功能強大靈活的設計分析及優(yōu)化軟件包，它可以對飛機的各大部件如機身,、機翼,、舵面、發(fā)動機短艙,、氣密艙,、起落架等進行常規(guī)的結構分析、熱分析,、空氣動力分析,、電磁分析,，而且其強大的多物理場耦合功能可進行諸如流體－固體耦合、熱－結構c,、磁－結構耦合以及電－磁－流體－熱-結構耦合分析,，完全能滿足飛機設計中對有限元分析的需求。
圖3-1 圖3-2 圖3-3
位于紐約州的奧歐拉市的穆格公司,，設計軍用飛機在高振動條件下工作的馬達控制器,，該控制器由鑄鋁室和若干電子模塊組成，裝有PCB板,，冷卻風扇及其它結構,。為了在實驗前揭露潛在的設計問題，以避免鑒定階段的重復設計,，采用ANSYS進行了隨機振動分析,、電子冷卻分析及疲勞失效分析。穆格公司的工程師杰拉德.米耶爾茲說：“我們發(fā)現ANSYS是一個極有價值的工具,，它能夠在硬件尚未真正制造出來之前,，識別潛在的許多問題，我們很高興在幾何與載荷都如此復雜的水準上進行這個工作,。”圖3-1為控制器,，圖3-2為變形，圖3-3為應力,。
1.總體
在飛機總體設計分析中要考慮的問題有：
頻率和振型
線性和非線性靜態(tài)和瞬態(tài)應力
失穩(wěn)分析
飛鳥和飛機的撞擊
總體氣動性能
飛機,、發(fā)動機的氣動匹配
軍用飛機的雷達反射特性以及紅外輻射特性
圖3-4瑞士Pilatus飛機公司對PC—12飛機用ANSYS進行了動力響應分析
ANSYS強大的動力響應分析功能可以快速地進行模態(tài)和振型計算。ANSYS可考慮許多因素對模態(tài)和振型的影響,，可以準確地計算出飛機在各種條件下的模態(tài)和振型,。
借助于多層殼及實體單元（ANSYS共有九十九層的復合材料殼單元和實體單元）能建立復合材料模型，這些單元允許疊加各向同性或各向異性材料層,，層厚和材料方向允許變化,。ANSYS提供的失效準則有最大應變失效準則,、最大應力失效準則和Tsai—Wu失效準則,，用戶也可以通過用戶子程序來定義自己的失效準則。ANSYS的復合材料功能特別適合于有大量復合材料的飛機系統(tǒng),。
通常,飛機機身有大量的聯接,如鉚接/焊接/粘結等結構,這些結構的處理是總體分析中極為重要但又難以處理的問題,，ANSYS/LS-DYNA為機身在振動、沖擊等作用下的動力相應分析提供了有效的手段,。一方面軟件自身提供了鉚接,、焊接（焊縫、電焊）,、粘結等各種功能,；另一方面顯示求解方法在振動等瞬態(tài)分析中容易處理聯接,、接觸等因素。
解決動態(tài)撞擊問題也是ANSYS的優(yōu)勢所在,，通過ANSYS的分析計算可以得到真實的飛鳥和飛機的撞擊效果和合理的耐撞結構,，但要想通過實驗來獲得這樣的效果是不現實的，不僅耗費無法承受的財力,，而且設計周期也會很長,。
ANSYS/LS-DYNA不但具有很強的碰撞分析功能，還特有安全帶單元,，可良好地模擬飛機墜地事故（圖3-5）中乘員所收到的沖擊以及安全帶的作用,。
圖3-5飛機事故模擬
ANSYS能方便地進行失穩(wěn)分析。
ANSYS的計算流體力學分析可以分析從低速到高超音速,、從穩(wěn)態(tài)到瞬態(tài)的各種氣動力學問題,，而且由于采用的是有限元法進行計算，所以對計算的結構形式沒有任何限制,。詳見第六章“ANSYS在航空航天器空氣動力學分析中的應用”及第七章“ANSYS在航空航天器電子產品熱設計中的應用”,。
ANSYS具有強大的電磁場分析功能，加上其熱輻射分析能力,，可以很方便地計算軍用飛機的雷達和紅外隱身特性,，詳見第八章“ANSYS在航空航天器電磁兼容、電磁干擾分析中的應用”,。
2.鳥撞
已有的實驗證明,，直徑為2毫米的水滴，在750米/秒的速度下撞擊馬氏體鋼,，會使后者發(fā)生塑性變形,。容易想象，一只重約250克的飛鳥,，其相對飛行速度為100-300米/秒與飛機相撞,，足以使飛機的擋風玻璃、機體,、發(fā)動機葉片或外罩等嚴重變形或破碎,，從而造成災難，因此鳥撞問題一直是航空航天領域倍受關注的難題,。
飛鳥在撞擊結構的過程發(fā)生在很短時間內,，一般為50毫秒左右，此過程中飛鳥肌體將發(fā)生流動變形和解體而四處拋灑,，結構亦將產生大變形,，甚至發(fā)生破壞，例如擋風玻璃破碎,、機體穿透,、發(fā)動機葉片斷裂等,。同時，結構的動態(tài)響應將在較長時間內持續(xù)發(fā)生,，但令人感興趣的時間段一般不超過100毫秒,。
由于鳥撞整個過程在較短的時間內完成，一般物理實驗費用昂貴而且難于提供足夠的信息,，因此,，目前在對飛行器鳥撞研究時，采取方法是以應用有限元技術模擬鳥撞為主,，并輔以物理實驗,。
有限元程序在模擬鳥撞時，必須具備的功能包括：
飛鳥物理材料的描述
飛鳥流動變形的描述
飛鳥與飛行器接觸的描述
飛行器結構大變形和破壞過程的描述
當前,，世界范圍內對鳥撞進行分析廣泛采用的工具為ANSYS/LS-DYNA,。該程序是著名高度非線性有限元顯式求解程序，主要用于分析結構在高速撞擊,、爆炸等動載荷下的動態(tài)響應,，同時具有強大的流體功能，可進行流體－固體耦合分析,。
飛鳥在高速撞擊時將產生強大壓力,，足以使金屬材料發(fā)生變形和破壞。在這樣的變形條件下,，飛鳥的材料呈流體,。ANSYS/LS-DYNA中的飛鳥材料采用流體動力材料，此種材料除定義一般材料性質如密度,、粘度外,，附加的狀態(tài)方程用于定義其流體屬性，如可壓縮性,、飛鳥破碎參數等,。
以前，人們在進行鳥撞問題分析或實驗時主要關注結構（飛行器）的變形和響應,，對飛鳥變形過程不夠重視,，但事實上撞擊載荷的大小不僅決定于飛鳥的動能，還與其流動過程以及破碎的時間密切相關,。即正確描述飛鳥的流動和破碎過程對整個分析至關重要,。以前的研究對此認識有欠缺,。ANSYS/LS-DYNA提供兩種方式描述飛鳥的流動和破碎：LAGRANGE（或ALE）單元,、EULER單元；LAGRANGE（或ALE）的變形能力很大,，足以描述與結構分離前的變形,，而EULER單元可正確描述任意程度的變形,，在圖3-6的鳥撞過程模擬中，飛鳥即采用的EULER單元描述,。
圖3-6葉片的鳥撞過程模擬
ANSYS/LS-DYNA在處理飛鳥與飛行器的接觸過程中亦提供兩種方式：1.當采用LAGRANGE（或ALE）描述時,，使用結構/結構接觸算法；2.當采用EULER描述時,，采用流體/結構耦合算法,。
對于結構（飛行器），可使用ANSYS/LS-DYNA附加破壞算法的結構材料,，例如彈性破壞材料（擋風玻璃）,、彈塑性破壞材料（葉片、發(fā)動機外罩）或可考慮失效的疊層復合材料（機體,、機翼）等,。
在最新發(fā)布的DYNA7.0版本中加入了光順質點流體動力算法（smooth-particle-hydrodynamics(SPH)），這種方法的特點是以一組質點定義相應物質,，由于沒有有限元網格,，更易于描述飛鳥的變形和破碎過程，這些質點描述的物質具有拉格朗日屬性,。圖3-7的葉片鳥撞過程即采用的這種方法,。
圖3-7葉片鳥撞過程模擬
Boeing公司為GulfstreamAerospaceGVBusimessJet(GV型灣流豪華公務機)的機翼前緣多個部位進行鳥撞模擬。最初的機翼結構設計造成內部橫梁斷裂,，改進后的機翼滿足標準FAR25.571(e)和JAR25.631的要求,，圖3-8為鳥撞過程。
采用LS-DYNA分析鳥撞過程,，已經是相當成熟的技術,。在LS-DYNA的全球年會論文中，關于鳥撞的研究文章每年都占一定比例,，這些研究中分析了包括機翼,、發(fā)動機葉片、安全罩等部件的鳥撞過程,。
圖3-8GV型灣流豪華公務機機翼前緣鳥撞模擬