飞行器结构设计课件.ppt

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1、飞行器结构设计第二章飞机结构设计方法飞机结构设计方法发展情况表年代50年代60年代70年代80年代90年代21世纪设计方法定性分析和工程化的定量设计较精确的静强度设计和优化设计结构的疲劳和损伤容限设计，二维计算机辅助设计耐久性设计。三维计算机设计复合材料设计方法和应用。计算机辅助设计、制造技术基于仿真的多学科综合优化的设计科技水平工程化分析模型、经验及解析分析法大型复杂的模型、有限元技术、数值分析法疲劳损伤容限松花江设计方法的应用。CAD技术的应用耐久性设计技术。数字样机技术。复合材料结构在主要受力结

2、构的应用。并行工程技术遗传算法、神经网络、并行计算等技术，仿真技术§2.1结构设计方法介绍随着飞机性能的提高、新材料和新技术的应用，现代飞机的结构越来越复杂，结构设计人员要掌握现代科学技术的新成果，采用先进的设计方法和技术，才能设计出成功的结构。下面简要介绍几种以计算机技术为基础的重要的设计方法和技术有限元素法结构优化设计计算机辅助设计（含计算机辅助制造）并行工程方法主动控制技术及自适应结构与智能结构§2.2结构有限元分析结构设计的具体过程：具体结构外载荷、边界条件等结构的应力、应变分析结构的失效判据

3、评估结构承载能力、使用寿命、可靠性等修改、完善设计，制定试验方案等等有限元素法一、有限元素法的基本概念有限元法的定义单元网格剖分有限元法解题操作的典型步骤影响有限元法计算精度的因素有限元素法的定义有限元素法是将一个形状复杂的连续体分解为有限个形状简单的子区域，即将一个连续体简化为由有限个单元组成的等效组合体，把求解连续体的场变量（应力、位移等）问题简化为求解有限个单元节点上的场变量值。它是一种近似数值分析方法，因为其求解的基本方程是一个代数方程组，而不是描述真实连续体场变量的微分方程组。全机有限元计算

4、模型机翼、机身计算模型单元单元的形式可以区分为（1）按几何形状：一维、二维或三维；（2）按节点参数：Lagrange族（只包含场函数的节点值）或Hermite族（还包含场函数导数的节点值）；（3）按插值函数：Lagrange多项式或Hermite多项式；（4）按单元坐标：笛卡儿坐标或自然坐标。这些区分法在有限元素法的专门课程中会介绍，这里简单介绍一下第一种分法的元素网格剖分有限元网格剖分应满足以下条件：单元之间不能相互重叠或分离，要与原结构的占有空间相容。单元应精确逼近原结构。即：所有原结构的顶点都应

5、取为单元的顶点，所有网格的表面顶点都应落在原结构表面，所有原结构的边和面都被单元的边和面所逼近。单元的形状合理。每个单元应尽量趋近于正多边形或正多面体，不能出现面积很小的二维尖角元或体积很小的三维薄元。网格的密度分布合理。分析值变化梯度大的区域需要细化网格。相临单元的边界相容，不能从一个单元的边或面的内部产生另一个单元的顶点。网格剖分网格剖分剖面型心合理的单元形式不合理的单元形式单元剖分单元分析、建立单元刚度方程结构整体分析、组集总体刚度方程{F}=[K]{}数值求解节点位移:{}=[K]-1{F

6、}单元分析、单元刚度方程结构内任意点处的应力、应变分析有限元法解题的步骤和过程图有限元法解体操作的典型步骤实例1.单元模型。如杆单元与梁单元，板单元与体单元。2.单元的剖分数量。如应力集中处单元剖分密度要大。3.单元插值函数的选取。开孔板网格剖分图影响有限元法计算精度的因素模型化工作，就是把实际结构的力学问题化为一种能够用有限元法求解的力学模型。建立合理的力学模型是有限元法的关键。不恰当的模型化会带来失真或误差，甚至导致计算失败。好的计算模型要利用以往成功的经验，经过反复论证和必要的试验才能产生。二、

7、有限元模型化原则1.结构的力学特征：抓住主要矛盾，选取合适单元2.载荷模拟：确定载荷的性质和量值3.支承模拟：即边界条件的确定，但较困难有限元模型化原则有限元模型化的最基本原则是：必须确保这一力学模型能够模拟实际结构的主要力学状态，并尽可能减少模拟误差。这一原则从三方面把握：有限元法通用软件的结构几何参数材料性能载荷边界条件前置处理有限元模型有限元分析后置处理节点位移输出应力结果输出位移图形显示等参数线图形显示各种变化云图动态图形显示有限元模型的建立和数据输入阶段数值计算阶段结果的判读和评定阶段目前国

8、际上已开发出一些大型通用有限元软件，如：ADINA、MSC/NASTRAN、ABAQUS、MARK、SAP等三、有限元软件§2.3结构优化设计结构优化设计的思想：在满足规定的条件（包括强度、刚度、损伤容限、可靠性和使用寿命等）下，使结构的重量和成本尽可能低。优化设计方法的发展过去根据原准机、已有的设计经验和一些简单的分析方法进行设计现在：以现代力学和数学的数值方法理论基础，以计算机为工具，因此能够自动寻找满足设计要求的优化设计方案初步完成设计进行分析人工