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飞机结构CAE设计概述

众所周知,飞机设计是一个复杂的系统工程,时间周期也比较长,从打样设计到最后定型投产最快也要十几年的时间(小飞机和改进型飞机除外)。
飞机设计阶段包括总体设计、结构设计、系统设计(液压、燃油、电子导航、火控、电传、地面设备等)。
传统的飞机结构设计强度校核一般采用结构力学方法,但这种设计方法有很多的局限性,并且受人为的影响也很大。例如应用结构力学方法校核的结构应比较简单,结构复杂后要进行简化处理;结构力学方法中还含有很多的工程假设。所以用这种方法设计的飞机比较保守,现代飞机要求降低结构重量,例如四代战机要求机体重量仅为飞机设计总重量的28%左右,应用结构力学方法显然不能完成这一要求。
随着计算机的发展,应用有限元辅助设计的方法(CAE)越来越实用,并成为飞机结构设计的主流。如下图所示为瑞典的JAS-39部分结构示意图,可以看出其主翼为典型的多墙式(多腹板式)结构,这样的结构是如何设计出来的?墙的间距和数量又是怎么确定的?飞机结构的CAE设计又是怎么实现的?以下给出一个简单的介绍,仅飞机结构的CAE设计环节就是一个复杂的过程,大致可分为以下几个阶段:

粗模,这时候飞机的具体结构还未定,只知道飞机的气动外形和大概的传力构型,所以模型也非常简单粗糙。粗模的作用主要是用于考察飞机传力系统布置的科学性。
总体模,这时候飞机模型的传力结构已基本定型,模型也较复杂,包含飞机所有的主传力构建。总体模的作用重大,关键结构部件的初校核也能在总体模中进行,很多关键的数据都从总体模中体现,比如结构的变形,最大受力区域一目了然,并能为下一步进行结构细节设计打下坚实的基础。
构件模,构件模是结构设计中最详细的模型了,飞机的强度、刚度、稳定性、材料校核等都在构建模中进行。构建模也可称为总体模的子模型,虽然其本身还可能包含子模型,构建模的载荷来源于总体模,在总体模型中提取载荷并作用于构建模进行校核。
以上三个阶段并不一定按顺序进行,往往存在交叉,甚至反复设计的可能。粗模也不一定只有一个,比如飞机的主翼可以是一个粗模,侧翼还可以是一个粗模。
希望通过以上的简单介绍能对航空专业的学生朋友以帮助。



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