ANSYS在航空复合材料数字化设计与制造工艺中的应用.pdf

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1、万方数据跚n‰吲。一‰幽。嘲。‰唧洲e复合材料数字化旋才与劁道ANSYS在航空复合材料数字化设计与制造工艺中的应用孟志华：毕业于武汉理工大学工程力学系。现任安世亚太公司北京办事处高级应用工程师。主要从事复合材料结构设计与制造工艺的仿真技术研究，先后从事863课题——“车用树脂基结构件低成本制造技术”、RTM中低温固化成型工艺模拟．汽车用复合材料飞轮转子等项目的研究与设计工作复合材料的主要组分是增强材料和基体材料，复合材料不仅保持了增强材料和基体材料本身的优点，而且通过各相组分性能之间的互补和关联而呈现优异

2、的性能。复合材料具有比强度和比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性以及材料性能可设计等特点，将其应用于航空领域中，可以获得显著的减重效益，还可通过合理设计来改善结构性安世亚太北京办事处孟志华针对飞机中最常用的树脂基、金属基连续纤维增强复合材料的结构设计、材料功能研究及制造工艺，分析了复合材料数字化设计与制造工艺的特点，并介绍了ANsYs在飞机数字化设计与制造中的应用能。目前，复合材料技术已成为影响飞机发展的关键技术之一，并逐渐应用于飞机等结构的主承力构件中，西方的先进战斗机上复合材料使用量已超过结构重量的25％

3、。特别是波音公司最新研发的梦想飞机(Boeing7E7Dreamliner)，已成为有史以来第一款在主体结构上采用先进复合材料的民用飞机，包括机翼和机身在内的主体结构，以石墨和增强型环氧树脂复合材料作为其基本构成。机翼还将采用一种由钛和石墨构成的复合材料——TiGr。本文将以飞机中最常用的树脂基、金属基连续纤维增强复合材料的结构设计、材料性能研究、制造工艺为重点，介绍ANSYS在飞机数字化设计与制造中的应用。复合材料数字化设计与制造工艺特点与金属材料不同，复合材料的各向异性导致的材料不均匀性，及其特殊的固

4、化成型工艺特点，使得复合材料结构的设计与制造要复杂许多。如果采用传统的等代设计、准网络设计等设计方法，复合材料的优异性能将难以充分发挥；而仅仅依靠经验形成的制造工艺参数，也难以保证复合材料的高质量和低成本。同时，复合材料的结构形成和材料成型是在固化成型时同时完成的，因此它又具有设计与制造密不可分的特点。根据复合材料的特点，其数字化设计与制造工艺的研究对象主要包括：(1)复合材料结构设计：包括复合材料结构在宏观水平上的受力性能、气动特性、疲劳特性、隐身特性和透波性能等。主要是要确定设计结构的刚度、强度等指标

5、，给出材料的结构尺寸、铺层形式、纤维体积含量等设计参数。(2)复合材料材料性能研究：包括研究复合材料各相的细观与微观力学行为，例如材料的界面分层、纤2∞6年第1期-航空制造技术53万方数据朋论坛嘲uMF117飞机的CATIA几何模型与ANSYS有限元模型的无缝连接维／基体黏结力、湿热性能等，以使复合材料的各相能充分发挥性能。(3)复合材料制造工艺研究：包括对RTM，SMC，缠绕成型等各种高温／低温固化成型过程的材料性能与工艺参数的相关性。在复合材料的数字化设计与制造中，要利用各种数值仿真技术，对材料结构、

6、性能、工艺进行模拟与评价，保证设计与制造质量。目前的数值仿真技术以有限元方法最为成熟，同时，以有限元法为理论基础的CAE软件也已经在国内外各大航空工业研究机构中得到普遍应用。ANSYS在航空复合材料中的数字化设计与制造工艺仿真ANSYS是一款著名的商业化大型通用有限元软件，广泛应用于航空航天、机械制造等领域。ANSYS多物理场仿真及耦合的独特功能，以及200多种单元类型，可以对航空复合材料结构设计、材料研究及制造工艺提供完整的解决方案。1复合材料结构设计在航空复合材料的结构设计中，要利用复合材料宏观力学和

7、有限元理论对结构的刚度、强度、疲劳、气动弹性、电磁隐身等性能进行评价，并确定结构的铺层厚度、角度、层数及结构总体尺寸等。54航空制造技术-2∞6年第1期复合材料宏观力学的有限元方法的基本原理在本质上与各向同性材料相同，只是离散方法和本构矩阵不同。复合材料有限元法中的离散化是双重的，它包括了对结构的离散和沿厚度方向的每一铺层离散。ANSYS主要在以下方面为复合材料结构的设计提供了解决方案：(1)CAD数字化模型处理。针对飞机中的粱、板、实体等复合材料层合结构，ANSYS可从CAD软件直接读入几何模型，通过几

8、何修补和简化、板壳中面抽取、节点偏置、针对飞机中的梁、板、实体等复合材料层合结构，ANSYS提供了一系列的特殊单元一一铺层单元，以模拟各种复合材料。铺层单元中可以考虑复合材料特有的铺层特性和各向异性特性。复合材料结构模型建立后，能通过ANSYS以图形显示和列表的形式直观地观察铺层厚度、铺层角度和铺层组合形式，方便模型的检查及校对。针对飞机结构中较为复杂的不同铺层数的变厚度桁／梁等结构、蜂窝／泡沫夹层结构、蒙皮一梁组合结构等，A