ANSYS对航空工业解决方案.doc

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ANSYS对航空工业解决方案

发表时间：

2009-1-25作者:

安世亚太来源:

安世亚太

关键字:

航空航天CAE仿真解决方案ANSYS安世亚太

中国航空工业在CAE应用方面也迈着坚实的步伐，各类CAE技术在产品设计制造方面发挥着巨大作用，有效解决了本行业的诸多难题，为顺利研制新机型发挥了不可缺少的作用。

美国ANSYS公司致力于CAE技术的研究和发展，专注于工程仿真解决方案，提供世界顶级的工程模拟技术，帮助企业优化设计流程，使企业在更短的时间内开发出高质量的产品。

以下是美国ANSYS公司对航空工业的解决方案,全文分九章。

ANSYS对航空工业解决方案

（一）前言

ANSYS对航空工业解决方案

（二）航空工业期待协同仿真环境

ANSYS对航空工业解决方案（三）航空发动机仿真方案_1

ANSYS对航空工业解决方案（三）航空发动机仿真方案_2

ANSYS对航空工业解决方案（四）飞机仿真解决方案

ANSYS对航空工业解决方案（五）ANSYS在导弹设计中的应用

ANSYS对航空工业解决方案（六）航空气动解决方案

ANSYS对航空工业解决方案（七）航空器电子产品热设计

ANSYS对航空工业解决方案（八）航空器电子产品天线及隐身设计解决方案

ANSYS对航空工业解决方案（九）航空器电子产品电磁兼容及干扰解决方案

第一章前言

1航空工业对CAE技术的需求

国际上早在60年代初就开始投入大量的人力和物力开发CAE软件，但真正的通用商品化软件是诞生于70年代初期，而最近10多年则是CAE软件的高速发展阶段。

美国于1998年成立了工程计算机模拟和仿真学会（CMSE:

ComputerModelingandSimulationinEngineering），其它国家也成立了类似的学术组织，以推动CAE开发和应用技术的快速发展。

目前，CAE软件的功能、分析问题的深度和广度、用户界面和前后处理能力、计算精度和计算效率等都获得了大幅度的改进与扩充。

这使得目前市场上知名的CAE软件在功能、性能、易用性﹑可靠性以及对运行环境的适应性方面，都能很好地满足用户的当前需求，从而帮助用户真正解决工程实际问题，为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献。

航空工业可以说是CAE技术发展的摇篮，各种CAE技术正是在以航空工业为主的实际工业应用的推动下在不到半个世纪时间里迅猛发展起来的。

以ANSYS、LS-DYNA、Nastran、CFX、Fluent等为代表的高端CAE软件早已活跃在全球航空工业中，将“基于物理样机试验的传统设计方法”带入“基于虚拟样机仿真的现代设计方法”。

大幅缩短产品开发周期，降低成本，创新产品，带给产品高附加值，提高企业竞争力。

在发达国家的航空企业里，CAE已经作为产品研发设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺规范加以实施，在生产实践作为必备工具普遍应用。

绝大多数的航空结构零部件设计都必须经过多方面的计算机仿真分析，否则不能通过设计审查，更谈不上试制和投入生产。

中国航空工业在CAE应用方面也迈着坚实的步伐，各类CAE技术在产品设计制造方面发挥着巨大作用，有效解决了本行业的诸多难题，为顺利研制新机型发挥了不可缺少的作用。

2航空工业CAE应用

与其他工业行业相比，航空工业对CAE技术具有最全面的需求。

这些需求包括以结构力学为核心的MCAE（MechanicalComputerAidedEngineering）分析、以计算流体动力学为核心的CFD（ComputationalFluidDynamics）分析、以计算电磁学为核心的CEM（ComputationalElectroMagnetics）分析以及结构、热、流体、电磁多场耦合为核心的Multiphysics分析。

2.1结构力学（MCAE）分析相关应用

结构力学分析是航空工业CAE分析中最重要的分析类型。

不论是军机还是民机，强度与寿命问题是关乎生命安全的大事。

结构力学分析解决的便是强度和寿命问题这两件大事。

此类分析所涉及的结构在飞机中无所不在，如机身、机翼、起落架、发动机等相关的零部件乃至整机结构。

分析类型通常是：

线性和非线性静强度分析

模态振动分析

疲劳寿命计算

复合材料设计和强度计算

鸟撞、迫降等事故状态下的冲击力学计算

乘员安全性分析

制造工艺设计（冲压、焊接、锻造等）

……

目前活跃于世界航空领域的MCAE软件有：

ANSYSMechanical、LS-DYNA、NASTRAN、MARC、ABAQUS等；

2.2计算流体力学（CFD）分析相关应用

气动分析是飞机设计CFD分析中最重要的分析类型，是数字化风洞的核心技术。

飞机在空气中高速运动，飞行效率的确定由气动分析给出。

此类分析需要解决稳态和非稳定状态下（扰动气流、低空阵风、机动飞行等）的气动响应，升/阻比气动分析中关心的要点。

此外，飞机设计中还存在其他流体分析需求：

飞机－发动机匹配特性计算（进气道设计）

导弹发射、副油箱抛撒等对飞机的影响

气动结构载荷和气动温度载荷计算

发动机效率（气动效率和燃烧效率）

舱内空气循环

……

目前活跃于世界航空领域的CFD软件有：

ANSYSCFX、FLUENT、STAR-CD等；

2.3计算电磁学（CEM）分析相关应用

CEM分析对于军机设计非常重要。

现代战争是电子战争，雷达与反雷达技术是这种战争中的关键技术。

电磁波分析是这些技术研究的重要手段。

这种分析包括：

机载天线安装及布局设计

军用飞机雷达散射截面（RCS）计算

机载天线、雷达、电子器件间的电磁兼容和电磁干扰分析

电气设备效率和安全性分析

……

目前活跃于世界航空领域的CEM软件：

ANSYSEMAG、FEKO、ANSOFT、CSTMAFIA、EMC2000等。

2.4多场耦合（Multiphysics）分析相关应用

各CAE应用领域之间不是相互独立的，在结构、气动、电磁等特性之间，为满足某一方面的需求而对设计进行的修改都会影响到其它方面的性能，因而耦合分析的需求随处可见。

比如，

在高温环境中工作的发动机部件的热应力分析是典型的热-结构耦合分析

要进行准确的发动机叶片应力分析，必须通过流体分析得到叶片间的流动产生的压力载荷

要准确进行整机结构力学响应计算，就必须耦合气动分析以获得准确的结构气动载荷

气弹颤振分析是飞机结构和气动计算之间的强烈耦合

……

目前活跃于世界航空领域的多场耦合软件是ANSYSMultiphysics.

3ANSYS反映现代CAE技术的发展特点

现代CAE技术的繁荣昌盛带来了CAE软件的百家争鸣。

上文指出了活跃在世界航空领域的各类CAE软件。

这些软件各有特点，但总体来说，他们有一些共同追求的目标，也是现代设计方法对CAE技术提出的需求，同时也用来衡量CAE软件技术先进与否的重要标志。

美国ANSYS公司致力于CAE技术的研究和发展，专注于工程仿真解决方案，提供世界顶级的工程模拟技术，帮助企业优化设计流程，使企业在更短的时间内开发出高质量的产品。

ANSYS公司连续多年以销售额20%以上的经费投入研发，先进的技术及高质量的产品多次赢得业界各种荣誉，被世界各工业领域广泛接受，成为ASME、NQA等二十多个专业技术协会所认可的标准分析软件。

ANSYS软件作为世界CAE软件中的佼佼者，她所拥有的技术反映着现代CAE技术的发展趋势。

该软件针对现代设计方法对CAE技术提出的需求，发展出大量其它软件所不具有的特色。

本文将这些特色以ANSYS软件产品关键词的方式与读者共享。

词汇一：

协同仿真环境

现代CAE技术的繁荣昌盛为用户带来宽广选择余地的同时也带来了产品仿真的协同需求。

各种CAE程序单打独斗的时代即将过去，这些程序之间的合作将是今后CAE发展的主要方向。

现在CAE世界期待一个可以整合所有CAE技术资源和数据的协同仿真环境。

ANSYSWorkbench作为世界唯一一款协同仿真平台，旨在搭建基于网络的仿真工作统一环境，将百家争鸣的仿真技术和纷繁复杂的仿真数据完美整合，与仿真相关的人、部门、技术及数据在统一环境中协同工作。

协同是现代产品设计流程发展的必然需求。

时下流行的PDM满足了产品的协同设计需求，Workbench满足了产品协同仿真需求。

词汇二：

多物理场仿真

CAE技术涵盖了计算结构力学、计算流体力学、计算电磁学等诸多学科专业，而象飞机、船舶等大型工业产品的设计对这几个学科专业都有强烈的耦合场分析需求。

一般的CAE软件通常都只能解决某个学科的问题，用户需要配置一系列由不同公司开发的、具有不同应用领域的软件组合起来以解决其实际工程问题。

这不但增加了用户投资，而且很多耦合场问题会由于不同软件间不能有效准确地传递数据而无法真正实现耦合仿真计算。

能否真正完成全面耦合场分析，已经成为现代CAE软件所追求的目标。

ANSYS软件作为融结构、电磁、热、流体分析技术于一身的强大仿真系统，不但拥有为业界认可的强大的单场分析模块，而且由于出自同一家公司的模块，数据传输不存在瓶颈，各场之间的耦合分析能力为准确预测航空工业产品的性能提供保障。

词汇三：

双向参数互动

CAE软件必须可以直接使用CAD生成的模型已经成为业界共识。

目前，其他CAE软件一直在延续使用“模型数据单向传递”方式。

为了满足现代并行设计、快速设计的要求，ANSYS引入“双向参数互动”技术。

双向参数互动是指：

CAD模型传到CAE软件后，CAE软件继承CAD模型的原有参数；CAD修改模型参数之后，CAE软件只需刷新即可得到来自CAD模型的新参数，从而更新模型，但CAE软件中的网格和载荷设置不发生变化，可直接求解；CAE软件可直接根据分析结果对设计参数直接进行必要的修改，或利用优化设计功能得到最优设计参数后，在CAD中只需刷新操作便更新模型。

ANSYS使用CAD模型时，是在ANSYS环境中建立CAD模型的“链接”或“影射”，本质上讲是与CAD系统资源共用，使用同一个CAD模型，因而不存在其他CAE软件的CAD接口经常发生的“丢失信息”的现象，而“双向参数互动”在此模式下则成为自然而然的事情。

词汇四：

自动探测装配

现代CAE技术可以对相当大规模的问题进行分析，而且这种分析可以是复杂的接触问题（在CAD中称为“装配”）。

利用仿真手段可以对具有大量零部件的虚拟样机整机进行虚拟试验。

但是由于零部件的装配在CAE中需要进行“接触”分析，而接触分析需要建立接触单元。

此过程在其他CAE软件中采用手工方式完成，一个虚拟整机的建立所需要的时间令人不可接受。

因此，CAE软件的自动探测装配关系的能力决定了能否进行虚拟样机性能仿真，是我们真正发挥CAE软件的优势的关键技术之一。

ANSYS公司提供的CAD模型“链接”技术，在建立装配模型“链接”的过程中，自动探测装配关系，同时完成“接触”单元的建立，无需人工干预。

词汇五：

变分优化技术

CAE分析的最终目的是对设计提出满足工作要求的修改意见。

大多数CAE软件都提供优化设计功能以满足这样的需求。

程序自动根据分析结果和设计要求、在特定的优化算法的帮助下自动修正设计，经过多次循环而获得优化的设计结果。

这种技术称为实验设计（DOE）技术。

基于DOE技术的经典优化方法的共同特点是需要对模型进行大量的迭代计算。

设计自变量越多，需要的迭代次数越多。

对于飞机或船