发布时间 : 星期二 文章ANSYS飞机仿真方案 - 图文更新完毕开始阅读d0d63658bd64783e09122be0
精确的算法（如高精度多轴算法、能考虑初始加工应力/平均应力/温度效应/表面加工状态等各种因素对疲劳寿命的影响、方便而准确的载荷谱处理能力、有效的累计损伤理论等）
在通用结构力学分析能力的支持下，ANSYS以其专用高级疲劳分析程序FeSafe为主的疲劳寿命分析能力为航空发动机各种零部件的各种方式的疲劳寿命计算提供了非常完善的工具，其主要特色包括：
超过200种材料的疲劳特性数据库以及Seeger算法近似计算材料疲劳特性参数；
丰富的单轴和多轴疲劳算法，尤其是基于准确的局部应力－应变计算、临界平面计算等独特技术的多轴疲劳分析提供了当今最高的疲劳寿命计算精度，它可分别考虑 最大剪应变（适用于延展性好的材料）、最大正应变（适用于脆性材料）、Brown-Miller组合剪应变及法向应变（适用于绝大多数金属材料）等的多种 方式；
提供了独一无二的疲劳功能：高温疲劳、蠕变疲劳、焊接疲劳、随机振动疲劳、微振磨损疲劳、铸铁疲劳、疲劳概率分析与评估、旋转对称疲劳模型等； 可考虑各种影响疲劳寿命的因素：残余加工应力、表面加工状态、开口敏感性、温度等；
可轻松地处理复杂载荷历程，等等。
3.5.断裂力学分析/损伤容限设计
前述疲劳寿命分析获得的是零件疲劳裂纹萌生时的寿命，实际上，很多零件在裂纹扩展的过程中还可以工作很长一段时间。例如，早期美国空军曾在发动机完整性大 纲中规定：涡轮盘中只要有千分之一的概率出现1/32英寸的裂纹，这批轮盘即全部报废而更换为新盘。但随后的使用说明，在盘的某些部位是允许裂纹存在的， 而且扩展到一定的长度也不至于造成灾难性事故，经过研究，原来报废的盘，其中90%均可重新使用。类似的事例说明：如果按照早期完整性大纲所规定的“安全 寿命”设计，将会造成很大的浪费，也很不科学。因此，现在已经在航空发动机设计中引入了“损伤容限”设计原则（或“破损－安全”设计原则），即结构的某一 部分已经产生一定长度的裂纹，该结构仍能在原定载荷状态下正常工作到下一次检修，在这一段时间内，裂纹不会扩展到临界尺寸。 裂纹的扩展特性由断裂力学计算来完成。在线弹性条件下，用裂纹尖端的应力强度因子K与材料本身临界应力强度因子Kc、以及裂纹扩展门槛值等之间的关系，来 判断裂纹是否扩展以及扩展的速度；在裂纹尖端出现大范围塑性屈服的情况下，用弹塑性断裂力学参数J积分与材料本身临界J积分数据等之间的关
系来判断裂纹扩 展特性。
ANSYS通用结构力学分析模块提供了完整的断裂力学计算功能，可计算如下裂纹参数：
裂纹尖端应力强度因子KI（拉开）、KII（剪切）和KIII（撕裂） J积分(表征裂纹尖端弹塑性奇异应力和奇异应变的强度) 能量释放率(表示裂纹开、闭所需要的功)
3.6.拓扑/形状优化设计
优化设计作为一种新的设计方法，产生于20世纪60年代初，它是建立在近代数学规划论和计算机程序设计的基础上，能使一项设计在一定的技术和物质条件下寻 求一个技术经济指标最佳的设计方案。在近代，优化设计愈来愈多地应用于产品的设计中，通过优化，零部件能够使其力学性能得到改善，并可获得最佳的结构尺 寸。机械结构设计应用优化设计方法较传统的设计方法一般可节省材料7～40%，因此优化设计技术已越来越受到人们的重视。 在航空产品设计中，发动机的优化设计尤为重要。现代飞机尤其是军用飞机设计都追求尽量高的推重比，而对飞机推重比影响最大的就是发动机，对发动机推重比影 响最大又是诸如叶片、轮盘等高速旋转的关键部件，这些零部件哪怕仅仅减轻1克的重量，对整个发动机以致整个飞机都会产生可观的影响。 ANSYS提供了非常完善的拓扑优化设计和形状优化设计技术来完成各种优化设计任务。拓扑优化设计主要用在产品概念设计阶段，用以确定在给定的载荷、边 界条件、减重指标等限制条件下获得刚度/强度最佳、或指定模态频率达到最大时的拓扑外形，以此外形为基础，经过适当的满足工艺和设计要求的修正，即可得到 真实的几何设计。如果再进一步，可在此几何设计的基础上通过形状优化来进一步完善。ANSYS的形状优化设计功能提供了两种不同的技术：
一是常规的优化设计技术，它通过ANSYS的参数化设计语 言APDL建立参数化的几何（经典环境下），或者利用与CAD的双向参数传递功能直接利用参数化的CAD模型（新一代AWE环境下），在给定的设计变量 （如尺寸）、约束函数（如尺寸范围、最大应力等）和目标函数（如重量）下，经过往复迭代求解最优化结果，每次迭代计算的设计变量集由各种优化算法自动确 定，这些优化算法包括：零阶方法（罚函数法）、一阶方法（梯度法）、MonteCarlo法等等。 二是最先进的变分优化技术（VT技术），变分技术的基本原理是：在有限元分析矩阵（如刚度阵、质量阵）级别上利用高阶级数展开的方法建立他们与设计变量之 间的关系，计算出来的结果与设计变量之间也是类似的关系。因此，可以通过一次有限元计算就可以建立设计空间的响应面/曲线，然后查询得到优化设计方案。与 传统优化方法需要数十上百次完整的有限元计算相比，变分技术只需一个参数化的几何模型、只需一次网格划分、只需一次有限元求解就可得到设计空间和优化方 案，可以极大地降低优化设计的计算规模、提高优化设计的效率，除此之外还有其它的优势：
设计变量的数目对计算时间的影响很轻微； 由于高阶导数的精确计算，也由于采用网格随移技术（用以计算目标函数与尺寸设计变量之间的高阶导数）避免了网格重划带来的模型误差，使得优化的精度也大大提高；
导数计算过程本身就自动获取了任意设计参数在其整个值域内的对优化目标的灵敏度。
除了满足常规的优化设计要求外，ANSYS的变分技术还提供了一些非常独特的优化设计能力，诸如：
与CAD软件的双向参数传递功能使变分技术能与CAD软件协同进行设计尺寸优化；
多目标优化：多个优化目标既可独立存在，也可加权成一个总目标；
离散变量优化：如加强筋的个数、点焊的个数、结构上的孔的个数、连接弹簧的的个数等离散变量均可作为优化变量；通过单元组的形式，还可实现拓扑优化；
图3-3-27“便览”曲线
集合变量优化：如型钢是按照型号选用的，型号一确定，所有的细部尺寸完全确定；相同的实例还有材料牌号等；
同时，ANSYS变分优化设计技术对优化计算结果提供了丰富的交互式后处理工具，包括：
设计空间图：设计变量与目标函数之间的关系，形成响应面或设计曲线，对离散变量有特殊的显式方式。
灵敏度：正则化的灵敏度图表，以直方图、饼图、灵敏度曲线等方式直观显示每个设计变量在其整个变化范围内对设计变量的影响程度。
蛛状图：即时反映所有的设计变量在其当前值的响应，可以容易地、形象地比较多个结果参数。 多目标优化的输出：给出三个优化的候选设计，“星号”的数量指示了目标达成的程度。
“便览”曲线（HandbookCurves）：当某一个设计变量取不同的值时，另一