1、西安航空职业学院毕业论文基于 VPS 的垂直安定面结构力热综合分析技术平台姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要：垂直安定面结构作为飞机尾翼结构主要承力构件，在设计过程中既要考虑静力，也要考虑热力因素，本文基于 Environment 和 VPS 虚拟性能分析软件，依据复合材料试验标准，从复合材料铺层设计、参数化典型结构强度分析、层板热力学分析、复合材料连接力热分析等方面出发，对垂直安定面进行力热耦合分析，最终开发形成一套完整的复合材料结构设计分析平台，以帮助工程师对垂直安定面及同类型飞机结构进行设计。关键词：复合材料、VPS、热力学、Environment1 背
2、景介绍随着复合材料在飞机主要结构中的推广应用，目前国内外大中型飞机尾翼结构已大面积采用复合材料结构与重要金属接头、对接肋的混合应用。尾翼作为飞机结构主要构成部件之一，其功能是保证飞机的航向和纵向稳定性和操作性。尾翼由垂尾和平尾组成，安定面是尾翼的主要传力组件。安定面承受气动载荷，为舵面提供支持，因此，安定面结构设计即是受力翼盒的设计。另外，垂直安定面结构在不同的工作状态下，环境温度变化较大，同时有可能受到发动机尾喷的影响。温度的变化会导致结构变形，产生结构热应力，会对结构的强度造成影响。复合材料热膨胀系数的各向异性和铺层方向的不对称造成的耦合效应，使复合材料结构即使均匀升温也会在结构内部产生热
3、应力，因此，需要对垂直安定面进行热力学分析。2 解决方案平台主要基于 Environment 和 VPS（原 Pam Crash）软件开发，Environment 是 VPS 的前后处理环境，VPS 为求解计算平台。Environment 的 Visual SDK 开发环境基于面向对象技术，将基本的 CAE 任务和功能封装为基本的 Python 类库（同时可以使用 C+ 的 DLL 类库） ，如几何导入、分网、边界条件处理、分析、后处理等，供开发使用。Visual SDK 提供了直观的图形用户界面和操作方式，用户可以基于 “拖拽”方式形成流程模块，快速建立可视化的工作流程。除了采用标准任务动作
4、模块来创建模板之外，还可以通过 Environment 的宏（Macro）录制和回放功能来快速创建模板。通过宏的录制功能，可以将专家的分析操作过程完全捕获，并自动生成相应的分析模板，大大简化了开发过程。VPS（Virtual Performance Solution） 1是以工业应用为导向的产品虚拟性能分析软件；是 ESI 集团为了实施设计制造一体化战略而整合原有的 PAM-CRASH/SHOCK/SAFE、PAM-SEAL/MEDYSA、 PAM-COMFORT、原隐式求解模块，并在此基础上采用统一模型理念而形成的新一代虚拟性能解决方案；能真实模拟了产品在测试过程中的表现，通过预测产品性能而
5、帮助用户改善设计和生产流程。VPS 能充分考虑复合材料结构特性的多样性，对 UD、织物等复合材料，支持双相和全局模型，并含有 10 种以上的断裂准则描述复合材料的破坏行为，充分考虑结构的大变形、大应变、应力钢化等非线性问题。对于热分析，VPS 可以解决包括传导、对流、辐射、相变在内所有的热交换现象,并真实地仿真各类边界条件，构造各种复杂的材料和几何模型，模拟热控系统，进行热-结构耦合分析。2.1 平台内容及流程基于 Environment 和 VPS 进行垂直安定面力学性能仿真并进行二次开发，形成垂直安定面结构力热综合分析技术平台。平台设计流程见 图 1 所示，1) 对复合材料板进行典型铺层设
6、计，并与层板传热验证；2) 进行复合材料典型结构的轴压和剪切分析，确定其屈曲载荷；3) 对局部连接部位进行连接力热性能仿真，从而确定局部连接形式和螺钉型号；4) 把铺层设计完成的复合材料结构引入到垂直安定面进行力学和热力学分析；5) 最后确认整个结构是否满足要求，不满足重新进行典型铺层设计。图 1 设计流程具体的仿真内容为：1) 典型铺层设计和层板传热设计复合材料典型铺层设计内容和标准具体见 表 1 所示。按照各个标准要求建立相应样件仿真模型，通过 VPS 隐式和显式分析模块进行性能分析。表 1 复合材料典型铺层设计内容和标准ASTM 标准 拉伸压缩面内剪切层板 D30 D34 D3518-3
7、9 10 94含缺口（开孔） D5766-02D6484-04含缺口（充填孔） D6742D6742含缺口（V 型槽剪切）D5379含冲击损伤 D7136层板传热设计的结构为固定尺寸层板结构，通过改变铺层数、铺层角度对其最大热应力进行优化，选取最合理设计。2) 典型结构对复合材料典型结构进行参数化建模，以方便工程人员进行仿真设计。参数化结构包括 T 型加筋板、工型加筋板、平板和夹芯结构，工程人员只需通过输入几何尺寸就可以生成网格模型。对每一个典型结构都进行轴压分析和剪切两种分析（见 图 2 所示） ，从而得到结构屈曲载荷。图 2 轴压和剪切分析示意图3) 典型连接和多层连接典型连接和多层连接主
8、要是复合材料与复合材料、复合材料与金属之间通过螺栓连接，采用 D5961 标准建模，有单钉单搭接（见 图 3 所示） 、单钉双搭接、双钉单搭接和双钉双搭接形式。通过 VPS 进行压缩、拉伸和热分析，得到结构破坏力-位移曲线和热应力分布。图 3 单钉单搭接试验件示意图4) 垂直安定面结构综合仿真和热分析垂尾主盒段构成包括：垂尾壁板、垂尾梁、垂尾翼肋等。首先，通过 VPS 建立其网格模型；其次，进行复合材料、金属和蜂窝材料设置；再次，进行气动载荷，温度场工况和约束设置；最后求解仿真得到结构应力分布情况。基于这个仿真流程，开发垂直安定面结构的仿真流程。2.2 计算方法VPS 主要采用 Lagrang
9、e 算法，同时在结构离散方式上，拥有有限元格式离散和无网格离散技术，如光滑粒子流体力学方法（SPH 方法） 、有限点集法（ FPM 方法） ；可以处理常规的静力学的静态线性、静态非线性、模态提取、谐响应、预应力分析等问题。针对本课题主要是隐式静强度和热分析及显式冲击分析。采用的复合材料模型主要是的 Ladeveze 全局模型，热分析主要是热弹性理论。1) 复合材料模型复合材料力学模型：改进的 Ladeveze 全局模型 2，它是基于均匀连续介质力学理论，考虑材料弹塑性、损伤和压缩行为，能描述复合材料纤维断裂，基体微观裂纹，纤维与机体脱胶分离等现象。弹性阶段采用通常的等效方法，见公式（1） ，（
10、1）012012 11 22 1233 11 031200cccvEG 弹性阶段采用通常的等效方法完成，进入塑性和损伤阶段则采用损伤值和相关塑性硬化参数进行确定，见 图 4 所示，其为纤维方向和剪切方向的应力应变曲线。图 4 考虑损伤的应力应变曲线基体的剪切和横向损伤行为由公式（2）和（3 ）完成。（2）0()1 0()cYtsatdeifYtoherwis（3）00()2 0()1()(in)( ,)ccYtsattstc cdeifttYmpresinloyoherwis 纤维拉伸和非线性压缩损伤行为如 图 5 所示。可以看出在拉伸与压缩方向上，纤维表现出不同的刚度退化特性，因此其损伤值也
11、不相同。图 5 纤维拉伸和非线性压缩损伤曲线塑性损伤行为：采用各向异性 Hill 塑性准则，依据迭代算法进行塑性应变计算。屈服函数：（4）2221(,) ()1pfRaRdd%各向同性硬化法则，如公式（5）所示，（5）0()()ppmR2) 热分析垂直安定面结构由于温度发生变化，产生热胀冷缩，引起结构变形，且变形受到某些限制，如前后梁与平尾的连接约束，则结构会发生热应力，另外，由于材料不同，导致变形不均匀，也会产生热应力。根据热弹性理论，应变为弹性应变和温度应变两部分之和。（6）sTijijij温度应变由温度变化引起，即（7）TTxyz（8）0z其中， 为膨胀系数，属于材料属性。弹性应变为（9
12、）syzxE（10 ）xyszz（11 ）yzsxE（12 ）1xyxyG（13 ）zz（14 ）xzzx则热弹力物理方程为（15）121xxyyyxxyxyTE3 平台功能基于 Environment 和 VPS 开发，最终形成的软件工具界面如 图 6 所示。按照 图 1 的设计流程和内容，以结构形式为依据，对仿真平台进行划分。图 6 软件主界面1) 典型铺层设计典型铺层设计包含层板、含缺口和含冲击损伤 3 个流程。各种典型铺层设计和分析结果示例见 图 7 和 图 8 所示，应力曲线如 图 9 所示。图 7 层板拉伸和 V 型槽剪切图 8 开孔拉伸和冲击分析图 9 某一单元应力-时间曲线、应
13、变时间曲线2) 典型结构参数化力学性能仿真在典型结构参数化力学性能仿真中分为平板、加筋板和夹芯板 3 个流程。网格模型采用全参数化自动建模，只需输入加筋板尺寸、个数、网格尺寸等信息，如 图 10 所示，左侧为参数信息，右侧为显式建立的模型文件。之后进行单层材料导入，可以从数据库中导入已经存储的材料模型，也可进行自己创建。最后通过定义轴压和剪切工况条件，通过VPS 求解计算，得到结果形式示例见 图 11-图 13 所示。图 10 T 型加筋板自动建模图 11 加筋板轴压和剪切图 12 平板轴压和剪切图 13 夹芯板轴压和剪切3) 典型连接结构典型连接结构分为单搭接和双搭接 2 个流程，但整个流程与垂直安定面力热综合分析的界面类似。仿真结果示例见 图 14 和 图 15 所示。
