ANSYS实例分析-飞机机翼

Ansys有限元课程设计问题一：飞机机翼振动模态分析机翼模型沿着长度方向具有不规则形状，而且其横截面是由直线和曲线构成（如图所示）。

机翼一端固定于机身上，另一端则自由悬挂。

机翼材料的常数为：弹性模量E=0.26GPa，泊松比m=0.3，密度r=886kg/m^3一、操作步骤：1.选取5个keypoint，A（0,0,0）为坐标原点，同时为翼型截面的尖点；2.B（2，0，0）为下表面轮廓截面直线上一点，同时是样条曲线BCDE的起点;3.D(1.9,0.45,0)为样曲线上一点；4.C(2.3，0.2,0)为样条曲线曲率最大点，样条曲线的顶点；5.E(1,0.25,0)与点A构成直线，斜率为0.25；6.通过点A、B做直线和点B、C、D、E作样条曲线就构成了截面的形状。

沿Z 方向拉伸，就得到机翼的实体模型；7.创建截面如图：机翼材料的常数为：弹性模量E=0.26GPa，泊松比m=0.3，密度r=886kg/m^3 8.定义网格密度并进行网格划分：选择面单元PLANE42和体单元SOLID45进行划分网格求解。

面网格选择单元尺寸为0.00625，体网格划分时按单元数目控制网格划分，选择单元数目为109.对模型施加约束，由于机翼一端固定在机身上所以在机翼截面的一端所有节点施加位移和旋转约束二、有限元处理结果及分析：机翼的各阶模态及相应的变形：一阶振动模态图：二阶振动模态图：三阶振动模态图：四阶振动模态图：五阶振动模态图：命令流：/FILNAM,MODAL/TITLE,Modal analysis of a modal airplane wing /PMETH,OFF,0KEYW,PR_STRUC,1/UIS,MSGPOP,3/PREP7ET,1,PLANE42ET,2,SOLID45MP,EX,1,380012MP,PRXY,1,0.3MP,DENS,1,1.033E-3K,1,K,2,2K,3,2.3,0.2K,4,1.9,0.45K,5,1,0.25/TRIAD,OFF/PNUM,KP,1LSTR,1,2LSTR,5,1BSPLIN,2,3,4,5,,,-1,0,,-1,-0.25,, AL,1,2,3ESIZE,0.25MSHKEY,0MSHAPE,0,2DAMESH,1SAVEESIZE,,10TYPE,2VEXT,1,,,0,0,10/SOLUANTYPE,MODAL MODOPT,SUBSP,5,,,,OFF EQSLV,SPARMXPAND,5,,,,0.001 LUMPM,0PSTRES,0ESEL,U,TYPE,,1NSEL,S,LOC,Z,0D,ALL,ALLALLSEL,ALLSOLVE/POST1SET,LISTSET,FIRSTPLDI,,ANMODE,10,0.5,,0FINISH13/EXIT,ALL问题二：内六角扳手静力分析内六角扳手在日常生产生活当中运用广泛，先受1000N的力产生的扭矩作用，然后在加上200N力的弯曲，分析算出在这两种外载作用下扳手的应力分布。

ＡＮＳＹＳ　在飞机设计中的应用　飞机一般由机翼起落架和飞机操作系统组成用以往的经典工程分析进行应力分析已满足不了现代飞机型号设计的要求分析的部位具有局限性使得复杂的工程问题得以用有限元法进行分析使用有限元对飞机结构进行分析具有极大的优越性它可以对飞机的各大部件如机身舵面气密舱热分析电磁分析固体耦合结构耦合结构耦合以及电流体完全能满足飞机设计中对有限元分析的需求设计军用飞机在高振动条件下工作的马达控制器装有ＰＣＢ　板为了在实验前揭露潜在的设计问题采用ＡＮＳＹＳ　进行了随机振动分析穆格公司的工程师杰拉德．米耶尔兹说我们发现ＡＮＳＹＳ是一个极有价值的工具识别潜在的许多问题图３－２　为变形　１．　总体　在飞机总体设计分析中要考虑的问题有l 飞机１２　飞机用ＡＮＳＹＳ　进行了动力响应分析　ＡＮＳＹＳ　强大的动力响应分析功能可以快速地进行模态和振型计算可以准确地计算出飞机在各种条件下的模态和振型ＡＮＳＹＳ　共有九十九层的复合材料壳单元和实体单元这些单元允许叠加各向同性或各向异性材料层ＡＮＳＹＳ　提供的失效准则有最大应变失效准则Ｗｕ　失效准则ＡＮＳＹＳ　的复合材料功能特别适合于有大量复合材料的飞机系统ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ　为机身在振动一方面软件自身提供了铆接焊缝另一方面显示求解方法在振动等瞬态分析中容易处理联接　　解决动态撞击问题也是ＡＮＳＹＳ　的优势所在但要想通过实验来获得这样的效果是不现实的而且设计周期也会很长还特有安全带单元图３－５　图３－５　飞机事故模拟　1 6 8ＡＮＳＹＳ　能方便地进行失稳分析从稳态到瞬态的各种气动力学问题所以对计算的结构形式没有任何限制ＡＮＳＹＳ　在航空航天器空气动力学分析中的应用ＡＮＳＹＳ　在航空航天器电子产品热设计中的应用 ＡＮＳＹＳ　具有强大的电磁场分析功能可以很方便地计算军用飞机的雷达和红外隐身特性ＡＮＳＹＳ　在航空航天器电磁兼容直径为２　毫米的水滴会使后者发生塑性变形一只重约２５０　克的飞鸟足以使飞机的挡风玻璃发动机叶片或外罩等严重变形或破碎因此鸟撞问题一直是航空航天领域倍受关注的难题一般为５０　毫秒左右结构亦将产生大变形例如挡风玻璃破碎发动机叶片断裂等结构的动态响应将在较长时间内持续发生 由于鸟撞整个过程在较短的时间内完成因此采取方法是以应用有限元技术模拟鸟撞为主 有限元程序在模拟鸟撞时　l 飞鸟物理材料的描述　l 飞鸟流动变形的描述　l 飞鸟与飞行器接触的描述　l 飞行器结构大变形和破坏过程的描述　当前该程序是著名高度非线性有限元显式求解程序爆炸等动载荷下的动态响应可进行流体　飞鸟在高速撞击时将产生强大压力在这样的变形条件下ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ　中的飞鸟材料采用流体动力材料粘度外如可压缩性　以前飞行器对飞鸟变形过程不够重视还与其流动过程以及破碎的时间密切相关正确描述飞鸟的流动和破碎过程对整个分析至关重要ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ　提供两种方式描述飞鸟的流动和破碎或ＡＬＥＥＵＬＥＲ　单元或ＡＬＥ足以描述与结构分离前的变形在图３－６　的鸟撞过程模拟中　图３－６　叶片的鸟撞过程模拟　ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ　在处理飞鸟与飞行器的接触过程中亦提供两种方式或ＡＬＥ使用结构／结构接触算法采用流体／结构耦合算法飞行器可使用ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ　附加破坏算法的结构材料挡风玻璃弹塑性破坏材料发动机外罩机体等ｓｍｏｏｔｈ－ｐａｒｔｉｃｌｅ－ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ　（ＳＰＨ）这种方法的特点是以一组质点定义相应物质更易于描述飞鸟的变形和破碎过程图３－７　的叶片鸟撞过程即采用的这种方法最初的机翼结构设计造成内部横梁断裂图３－８　为鸟撞过程已经是相当成熟的技术关于鸟撞的研w w w . i t 1 6 8 . c o m究文章每年都占一定比例发动机叶片　图３－８　ＧＶ　型湾流豪华公务机机翼前缘鸟撞模拟　３．　机翼　机翼大致由蒙皮翼梁和墙机翼主体受到气动载荷可以运用ＡＮＳＹＳ　提供的梁单元壳单元各向异性单元对机翼进行静力分析模态抖振等失稳分析结构优化设计然后将计算结果作为气动激励进一步计算分析机翼的动力响应图３－９　机翼动力响应分析机翼的固定件还可以运用ＡＮＳＹＳ　的非线性功能进行塑性和接触等非线性分析都是典型的薄壁结构隔框承受的主要载荷有l 惯性载荷　l 地面载荷　l 动力装置载荷　l 其他载荷　机身骨架由梁组成梁单元的断面参数定义结果表示非常不方便并允许用户自定义不规则断面形状库方便使模型表示及检查更加容易按拉正压负的工程习惯绘制彩色弯矩图　ＡＮＳＹＳ　强大而方便的建模及载荷处理功能杆单元三维实体单元可方便动力响应分析颤振等失稳分析结构优化设计结构耦合分析功能可以对机身进行温度场计算以及热应力和热变形计算移动壁面的功能可以方便地模拟机身的飞行状态利用ＡＮＳＹＳ　的流图３－１０　对机身的固定件还可以运用ＡＮＳＹＳ　的非线性功能进行塑性和接触等非线性分析以确定过渡圆角半径和销钉厚度蓝色单元表示轴承 ５．　起落架　在飞机设计里为了保证飞机的安全起飞要求起落架具有足够的强度为了使飞行器离地后具有良好的性能 1 6 8图３－１１　轮胎与地面碰撞的仿真分析　可以运用ＡＮＳＹＳ　提供的多种单元对起落架进行静力分析飞机着陆过程是典型的冲击类问题可对着陆过程进行冲击分析损伤容限分析　起落架在载荷上要承受强冲击载荷因此起落架的分析是高度非线性分析滑动间隙弹簧组合矩阵单元可方便地模拟多种阻尼缓冲件的静因此在起落架的分析中可以考虑进所有的主要因素同样可以运用ＡＮＳＹＳ　的分析计算功能进行各种分析可以模拟在紧急状况下安全部件对乘员的保护过程提高了安全性图３－１３　为坐椅的应力云图锻件这些加工过程涉及冲击类载荷接触非线性的塑性大变形过程应力场为提高工件的加工质量制定合理的工艺过程提供依据热接触类型热塑性材料本构模式ＡＬＥ　及Ｅｕｌｅｒ　三种描述方式　　w w w . i t 1 6 8 . c o mＬＳ－ＤＹＮＡ　时间积分器采用中心差分格式由于质量矩阵进行对角化处理一般的冲压铸造等问题合理控制有限元规模这样的效率是其它程序难以相比的可良好地完成冲压模拟拉延切边翻边分析板料的减薄拉裂回弹板料通过给定材料的ＦＬＤ判断板料在拉延过程中局部开裂现象用于板料成形的材料模式是各种弹塑性材料强化特征随动强化混合强化以及应变率对材料强化的影响适于板成形分析的有１２种ｐｅｎａｌｔｙ在接触计算过程中考虑壳单元厚度及其变化可在计算过程中对板料网格进行局部加密材料在多数情况下经历较大的温度变化ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ　中热塑性材料模型很适于描述锻压过程中的材料行为ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ　特有的单点积分良好地解决了大变形体积锁死问题应力更新中采用Ｊａｕｍａｎｎ　应力率在剪切变形较大时　在多数锻压分析中则随着金属件成形过程的继续将导致单元精度降低甚至发生畸变ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ　可以自动进行网格重划分ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ　早已采用一种更为先进的网格ＡＬＥＡＬＥ　网格进行Ｒｅｚｏｎｉｎｇ　的目的和过程与Ｒｅｍｅｓｈｉｎｇ　基本相同后者是拉格朗日网格ＡＬＥ　结合拉格朗日和欧拉网格各自的优点除此之外此方法的最大特点是物质与网格相互独立同时时间步长不会因变形的增大而降低此外如冷却水耦合分析欧拉构形主要有三种二阶精度的Ｖａｎ　Ｌｅｅｒ多物质流体的单元构形主要有二种多种材料的混合单元（压力平衡）ｓｈｅｌｌ不需要滑移界面此类求解器的加入可求解如自由界面流动流体混合金属构件浇注成型图３－１６　浇注过程模拟　ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ　在进行浇注模拟时并将其材料定义成空或任何物质Ｅｕｌｅｒ　ａｍｂｉｅｎｔ即物质由此进入Ｅｕｌｅｒ　区或　ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ　的流体介质定义为流体动力材料即压力方程随着物质由浇口流入Ｅｕｌｅｒ　区最终达到平衡ＬＳ－ＤＹＮＡ　中可方便施加温度边界条件和热生成 浇注过程模拟完成后ＡＮＳＹＳ　的相变分析及热变形应力分析功能考察不同的落沙条件ＰＣＣ　叶片制造公司输入熵与温度关系取得了很好的结果图３－１７　中红色部分表示仍然处在熔化状态　图３－１７w w w . i t 1 6 8 .。

机翼模型的模态分析高空长航的飞机近年得到了世界的普遍重视。

由于其对长航时性能的要求，这种飞机的机翼采用非常大的展弦比，且要求结构重量非常低。

大展弦比和低重量的要求，往往使这类结构受载时产生一系列气动弹性问题，这些问题构成飞行器设计和其它结构设计中的不利因素，解决气动弹性问题历来为飞机设计中的关键技术。

颤振的发生与机翼结构的振动特性密切相关。

通过对机翼的模态分析，可获得机翼翼型在各阶频率下的模态，得出振动频率与应变间的关系，从而可改进设计，避免或减小机翼在使用过程中因振动引起变形。

下图是一个机翼的简单模态分析。

该机翼模型沿着长度方向具有不规则形状，而且其横截面是由直线和曲线构成(如图所示) 。

机翼一端固定于机身上，另一端则自由悬挂。

机翼材料的常数为：弹性模量 E=0.26GPa，泊松比 m=0.3 ，密度r =886 kg/m 。

图 1 机翼模型的结构尺寸图1、建立有限元模型1.1定义单元类型自由网格对模型的要求不高，划分简单省时省力。

选择面单元 PLANE42 和体单元Solid45 进行划分网格求解。

1.2定义材料特性根据上文所给的机翼材料常数定义材料特性，弹性模量 E=0.26GPa，泊松比m=0.3，密度r =886 kg/m 。

1.3建立几何模型并分网该机翼模型比较简单，可首先建立机翼模型的截面，再其进行网格划分，然后对截面拉伸0.25m的长度并划分10个长度单元，而得到整个模型的网格。

图2机翼模型截面图图3 盘轴结构的有限元模型1.4 模型施加载荷和约束因为机翼一端固定于机身上，另一端则自由悬挂，因此对机翼模型的一端所有节点施加位移约束和旋转约束。

1.5 分析求解本次求解了机翼模型的前五阶模态，各阶固有频率值如下机翼前五阶振动模态图如下：机翼的各阶模态及相应的变形如表 1 及图 6 所示。

从图可看出在一阶( 14.283 Hz) 和二阶( 61.447Hz) 振动模态下，机翼主要发生弯曲变形，并且离翼根越远变形量越大。

ANSYS 动力分析(18) - 随机振动分析- 实例(1)2010-09-26 07:41:23| 分类：ANSYS 动力分析| 标签：随机振动实例模型飞机机翼psd|举报|字号订阅PSD 实例：模型飞机机翼的随机振动说明：确定由于施加在机翼根部的Y 向加速度PSD，在模型飞机机翼中造成的位移和应力。

假设机翼在Z=0 处固支。

操作指南1. 清除数据库并读入文件wing. inp 以创建几何模型和网格。

2. 定义材料属性：弹性模量= 38000 psi 泊松比= 0.3密度= 1.033E-3/12 lbf-sec2/in4 = 8.6083E-53. 施加边界条件。

提示：选择在areas 上施加位移约束，拾取Z=0 处所有的Areas，约束所有自由度。

4. 定义新分析为Model，使用Block Lanczos 方法，抽取和扩展前15 个自然模态。

然后求解Current LS。

5. 查看模态形状，如图为前 4 阶振型。

6. 使用所显示的 PSD 谱，执行 PSD Spectrum 分析。

首先定义分析类型为 Spectrum分析类型为 PSD，使用全部模态，计算单元应力：注意激活“Calculate elem stresses”选项。

7. 在基础上施加指定的 PSD 谱 (注意：确保 PSD 的单位是 G2/Hz)。

施加 Y 向激励 (方法是：在基础节点上施加单位 Y 向位移)。

设置常阻尼比 0.02：设置有关参数–重力加速度值注意：响应谱类型选择 Accel (g**2/Hz)，否则后面的 PSD 谱应该输入实际加速度值：定义 PSD 谱表格：绘制 PSD 谱表格曲线以检查输入值：激活和设置模态组合参数：选择所有模态。

设置计算内容：计算各模态的参与因子:在输出窗口中可以看到参与因子的计算结果：求解：10. 在一般后处理中，查看相对位移和应力 (载荷步 3)。

首先查看 Results Summary：载荷步 3 为 set 17查看载荷步 3 的相对位移和应力：在 Read Results 中读取载荷步 3 的结果：使用 By set Number，输入 Data Set Number 为 17。

飞机机翼ansys分析课程设计一、教学目标本课程旨在通过飞机机翼ANSYS分析的学习，让学生掌握以下知识目标：1.理解飞机机翼的基本结构和设计原理。

2.掌握ANSYS软件的基本操作和应用。

3.学会使用ANSYS进行飞机机翼的强度、刚度和稳定性分析。

4.能够独立操作ANSYS软件，进行机翼分析。

5.能够根据分析结果，对机翼设计进行优化。

情感态度价值观目标：1.培养学生对飞机工程领域的兴趣和热情。

2.培养学生解决实际问题的能力和创新精神。

二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.飞机机翼的基本结构和设计原理。

2.ANSYS软件的基本操作和应用。

3.飞机机翼的强度、刚度和稳定性分析方法。

4.机翼设计的优化方法。

教学大纲安排如下：1.第1-2课时：介绍飞机机翼的基本结构和设计原理。

2.第3-4课时：学习ANSYS软件的基本操作和应用。

3.第5-6课时：学习飞机机翼的强度、刚度和稳定性分析方法。

4.第7-8课时：学习机翼设计的优化方法。

三、教学方法为了激发学生的学习兴趣和主动性，本课程将采用多种教学方法，包括：1.讲授法：讲解飞机机翼的基本知识和分析方法。

2.案例分析法：分析实际案例，让学生更好地理解理论知识。

3.实验法：引导学生动手操作ANSYS软件，进行机翼分析。

四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，丰富学生的学习体验，我们将准备以下教学资源：1.教材：《飞机机翼ANSYS分析》。

2.参考书：相关领域的学术论文和书籍。

3.多媒体资料：教学PPT、视频教程等。

4.实验设备：计算机、ANSYS软件及其许可证。

五、教学评估本课程的评估方式将包括以下几个方面，以确保评估的客观性和公正性：1.平时表现：通过课堂参与、提问和小组讨论等方式，评估学生的学习态度和积极性。

2.作业：布置相关的机翼分析作业，评估学生对知识的掌握和应用能力。

3.考试：安排一次期末考试，涵盖课程的所有知识点，评估学生的综合理解能力。

ANSYS的应用及其分析全过程分析全过程包括几个主要步骤：1.几何建模：使用ANSYS的建模工具创建一个几何模型，通常可以从CAD软件导入现有的几何模型，也可以使用ANSYS的建模工具进行直接建模。

在飞机机翼结构分析中，可以将机翼的外形和内部结构进行建模。

2.进行网格划分：通过网格划分工具将几何模型划分为离散的小单元，建立数值模型。

网格划分的精细程度会直接影响到模拟结果的准确性和计算时间的长短。

在飞机机翼结构分析中，需要对机翼表面和内部结构进行网格划分。

3.定义边界条件：根据实际情况，为模型定义边界条件和约束条件。

例如，可以设置机翼表面为定压面、设定边界面的初始温度，以及对机翼进行约束。

4.设定材料参数：为模型的材料属性输入相关参数。

根据实际情况，可以选择适合应用场景的材料。

在飞机机翼结构分析中，可以考虑使用复合材料等。

5.设置分析类型和求解器：根据所需分析的物理过程，选择适当的分析类型。

ANSYS提供了多种分析类型，比如静力学、动力学、热传导等。

在飞机机翼结构分析中，可以选择静力学分析。

6.运行分析：通过求解器对模型进行计算和仿真，获取模型的响应结果。

这个过程可能需要一定时间，取决于网格划分的复杂程度和计算机的性能。

7.分析结果后处理：对分析结果进行可视化和处理。

ANSYS提供了丰富的后处理功能，可以绘制模型的应力分布、变形分布等。

对于飞机机翼结构分析，可以绘制出机翼的应力云图、变形云图等。

通过以上步骤，ANSYS可以对飞机机翼的结构进行详细的分析，包括机翼的强度、刚度、疲劳寿命等方面。

工程师们可以根据分析结果进行进一步的设计优化和改进，以确保机翼结构的安全性和性能。

总结起来，ANSYS的分析全过程包括几何建模、网格划分、边界条件定义、材料参数设定、分析类型选择、运行分析和后处理。

通过这个过程，工程师可以对不同领域的工程问题进行分析和模拟，快速优化设计方案，提高产品质量和效率。

实例二：飞机机翼模态分析如图为飞机一支机翼，已知密度ρ=0.38e3kg/m³，弹性模量E=3.8e5Mpa，泊松比ε=0.35，L7=10m,点1（0,0,0），点2（2，0,0），点3（2.3,0.2,0），点4（1.9，0.45,0），点5（1,0.25，0）。

分析其振动情况。

1.设置工作路径：File> Change Directory>Close2.定义工作名作名称和模拟标题：File>ChangeJobname，输入Half of Wings；File>ChangeTittle，输入The Vibrational Analysis on Half of Wings，Close 3.定义对象类型：Preferences>Structural>Close.如图1所示。

图14.刷新显示：鼠标右键点击Replot5.Apply，再选Brick 8node 185，OK，Close.如图2，3所示。

图2图36.设置材料参数：Material Props>MaterialModels>Favorites>Linear Static >Density，弹框内输入DENS=8.3e2。

如图4所示。

图47.Preprocessor >Material Props>Material Models >Favorites>Linear Static>Linear Isotropic，在弹框内输入EX=3.8e5，PRXY=0.35。

如图5所示。

图58.建立关键点模型：Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In Active CS，在弹框内依次输入点1：0，0，0；点2：2，0，0；点3：2.3，0.2，0；点4：1.9，0.45，0；点5：1，0.25，0。