有限元分析在航空航天应用领域案例
有限元法应用举例
核反应堆运行过程中涉及高温、 高压、高辐射等极端条件，热工 水力学分析是确保安全性的重要
环节。
有限元法可以对核反应堆的热工 水力学进行模拟，评估冷却剂流 动、热能传递、压力容器应力分
布等关键参数。
通过模拟分析，可以优化反应堆 设计，提高运行效率，降低事故
风险。
建筑物的能耗模拟与优化
建筑物的能耗是节能减排的重要领域，能耗模拟与优化有助于降低能源消耗和碳排 放。
况，为设备的电磁兼容性设计和优化提供依据。
通过有限元分析，可以评估设备的电磁辐射是否符合相关标准
03
和规定，以及优化设备的天线布局和结构设计等。
高压输电线路的电场分析
高压输电线路在运行过程中会 产生电场和磁场，其强度和分 布情况对环境和人类健康具有 一定影响。
有限元法可以用来分析高压输 电线路的电场分布情况，包括 电场强度的计算和分布规律的 分析等。
通过有限元分析，可以评估高 压输电线路对环境和人类健康 的影响，为线路的规划、设计 和优化提供依据。
07
有限元法应用举例：声学分析
消声室的声学设计
消声室是用于测试和测量声音的特殊 实验室，其内部环境需要极低的噪音 水平。
通过模拟和分析，可以确定最佳的吸 音材料和布局，以及最佳的隔音结构， 以达到最佳的消声效果。
有限元法应用举例
• 有限元法简介 • 有限元法应用领域 • 有限元法应用举例：结构分析 • 有限元法应用举例：流体动力学分析 • 有限元法应用举例：热传导分析 • 有限元法应用举例：电磁场分析 • 有限元法应用举例：声学分析
01
有限元法简介
定义与原理
定义
有限元法是一种数值分析方法，通过将复杂的物理系统离散 化为有限数量的简单单元（或称为元素），并建立数学模型 ，对每个单元进行单独分析，再综合所有单元的信息，得到 整个系统的行为。
基于有限元分析的结构优化设计方法研究
基于有限元分析的结构优化设计方法研究在工程领域中，结构设计是一项重要的任务，它直接影响到工程项目的稳定性和安全性。
为了提高结构设计的质量和效率，近年来，人们开始广泛应用基于有限元分析的结构优化设计方法。
本文将探讨这一方法的原理、应用和未来发展方向。
一、有限元分析的原理有限元分析是一种数值计算方法，用于求解连续介质力学问题。
它基于有限元法的理论，将复杂的结构分解为有限的子单元，利用数值模拟和计算的方法，逐步逼近真实结构的行为。
有限元分析的原理可以总结为以下几个步骤：1. 网格划分：将结构划分为有限个小的单元，每个单元都有一组节点和自由度。
2. 单元本构关系：定义每个单元的材料性质和本构关系，例如弹性模量、泊松比等。
3. 边界条件：定义结构的边界条件，包括约束和荷载。
4. 求解方程：根据边界条件和单元本构关系，建立结构的运动方程，通过求解得到结构的应力和位移场。
二、结构优化设计结构优化设计是指在给定的设计变量和约束条件下，寻找最优的结构几何形状和材料分布，以满足设计要求。
基于有限元分析的结构优化设计方法主要包括以下两种形式：1. 拓扑优化：该方法通过在结构中添加或移除材料，改变结构的拓扑形状，实现结构的优化设计。
拓扑优化常用的算法包括密度法、梯度法等。
2. 尺寸优化：该方法通过改变结构的尺寸参数，如截面尺寸、厚度等，来实现结构的优化设计。
尺寸优化常见的算法包括等高线法、灰度法等。
三、应用案例基于有限元分析的结构优化设计方法在各个领域都得到了广泛应用。
以航空航天领域为例，研究人员利用该方法对飞机机翼结构进行优化设计。
通过调整材料分布和拓扑形状，他们成功提高了机翼的强度和刚度，同时减轻了重量，提高了飞机的性能。
类似的优化设计方法还可以应用于汽车、建筑、桥梁等领域，以实现更高效的结构设计。
四、未来发展方向虽然基于有限元分析的结构优化设计方法已经取得了一些重要成果，但仍存在一些挑战和待解决的问题。
未来的发展方向包括以下几个方面：1. 多学科优化：结构优化设计不仅需要考虑力学性能，还需要兼顾其他学科指标，如流体力学、热学等。
HyperWorks在航空航天中的应用建立总体和细节有限元模型
HyperWorks在航空航天中的应用- 建立总体和细节有限元模型
航空结构分析工程师不但面临着高质量有限元模拟结果要求，更与紧迫的行程安排和截止时间做斗争。
HyperMesh和HyperView提供了新一代的建模和可视化工具，在航空CAE领域获得了广泛的认同。
它们给工程师的有限元模型处理提供了现代和高效的平台:
∙直接的接口：与包括CATI A, NX, Pro-Engineer在内的所有主流CAD软件有直接的接口。
∙强大的几何清理和网格划分技术：相对于传统的工具，一般可以减少有限元建模时间超过50%。
∙多求解器环境:简单公用的CAE环境，与包括Altair RADIOSS和OptiStruct在内的主要航空求解器Nastran, Abaqus, Ansys等有直接接口。
∙完整和简便的有限元模型参数化：根据CAD模型更新模型，快速进行参数更换。
有限元分析在飞机翼型设计中的应用研究
有限元分析在飞机翼型设计中的应用研究随着航空工业的不断发展，飞机翼型设计逐渐成为了飞机设计当中的重要一环。
为了保障飞机的安全与性能，必须对翼型进行细致、科学的研究。
而有限元分析技术则是飞机翼型设计中的一项重要工具。
在此，我们将通过本文来探讨有限元分析在飞机翼型设计中的应用研究。
一、有限元分析技术简介有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）是一种数值计算方法，用于计算并预测在实际工作环境中，机械零件或结构在各种负载下的性能。
它可以把一个复杂的结构破解成若干个互相连接的小结构（称为有限元），分别求解，最后再综合起来得到大结构的行为及性能特点。
它是目前常见的结构分析及设计最精确、最可靠的方法之一。
二、在飞机翼型设计中的应用在飞机翼型设计中，有限元分析可以应用在材料力学性能、载荷仿真、疲劳分析等方面，从而为设计和制造提供高精度的仿真模型。
1. 材料力学性能有限元分析可以用于飞机翼型材料的应力分析。
通过建模，可以计算出材料在不同环境下的应力、位移、应变等力学性能，以及对不同载荷的响应模式。
这有助于设计师了解不同材料在不同条件下的特性，从而做出最优的材料选择。
2. 载荷仿真有限元分析也可以在飞行时模拟翼型在各种负载下的性能。
通过设定不同负载情况，可以模拟出翼型在空气动力学、气动噪声、风险因素等方面的响应情况。
这对于预测飞机在不同负载条件下的稳定性、操作性、噪音等性能非常重要。
3. 疲劳分析在长时间的运行中，翼型及其组成部件承受的疲劳载荷是一个很重要的问题。
有限元分析可以在此方面提供可靠的仿真模拟。
通过模拟在实际使用中的负载情况，可以预测疲劳寿命，识别疲劳裂纹及损伤，并推导出最优的维护保养计划，从而使翼型的使用寿命得到最大化的延长。
三、应用案例有限元分析技术在飞机翼型设计中得到了广泛应用。
举个例子，美国肯尼迪航天中心研究员Glen Hinchcliffe曾经使用有限元分析技术，对747-400飞机的翼型进行仿真模拟，从而模拟不同地点的水平风和垂直风的影响，以确保在最极端的环境下翼型的可靠性。
电磁成形仿真案例
电磁成形仿真案例电磁成形仿真是一种基于电磁理论和有限元分析的仿真方法，用于预测和优化金属材料在电磁力作用下的变形行为。
通过电磁成形仿真，可以实现对金属材料的成形过程进行数字化仿真，从而减少实验试验成本和时间，并优化成形工艺。
下面列举了十个电磁成形仿真案例，以展示其在不同领域的应用和效果。
1. 电磁成形汽车车身零件在汽车制造领域，电磁成形被广泛应用于汽车车身零件的成形工艺优化。
通过仿真分析，可以预测和优化车身零件在电磁力作用下的变形行为，从而提高成形质量和减少制造成本。
2. 电磁成形航空航天零件在航空航天领域，电磁成形被用于制造复杂形状的航空航天零件。
通过仿真分析，可以确定电磁成形参数，以实现零件形状的精确控制和减少材料浪费。
3. 电磁成形医疗器械零件在医疗器械制造领域，电磁成形被用于制造高精度和复杂形状的医疗器械零件。
通过仿真分析，可以优化电磁成形工艺，提高零件的质量和性能。
4. 电磁成形船舶零件在船舶制造领域，电磁成形被用于制造船舶零件，如船体板和船舶构件。
通过仿真分析，可以预测和优化电磁成形过程中的变形行为，提高零件的质量和减少制造成本。
5. 电磁成形电子器件零件在电子器件制造领域，电磁成形被用于制造微小尺寸的电子器件零件。
通过仿真分析，可以优化电磁成形工艺，提高零件的精度和可靠性。
6. 电磁成形食品加工设备零件在食品加工设备制造领域，电磁成形被用于制造食品加工设备零件，如不锈钢容器和食品加工模具。
通过仿真分析，可以预测和优化电磁成形过程中的变形行为，提高零件的质量和减少制造成本。
7. 电磁成形新能源设备零件在新能源设备制造领域，电磁成形被用于制造新能源设备零件，如太阳能电池板和风力发电装置。
通过仿真分析，可以优化电磁成形工艺，提高零件的效率和可靠性。
8. 电磁成形家电零件在家电制造领域，电磁成形被用于制造家电零件，如不锈钢洗衣机桶和电磁炉加热盘。
通过仿真分析，可以预测和优化电磁成形过程中的变形行为，提高零件的质量和减少制造成本。
航空航天行业中的航天器结构模态分析方法
航空航天行业中的航天器结构模态分析方法航天器的结构模态分析是航空航天行业中的重要环节。
通过对航天器结构模态的分析，可以评估航天器的固有频率、振型和振动模态，并找出可能导致结构失效的问题。
本文将介绍航天器结构模态分析的方法和其在航空航天领域中的应用。
首先，航天器结构模态分析的方法主要包括有限元方法、模态测试和振动测试。
有限元方法是一种常用的航天器结构模态分析方法。
通过将结构分离为微小的元素，并使用物理学原理描述每个元素的振动行为，有限元方法可以计算航天器的固有频率和振型。
这种方法可以提供航天器结构的振动模态的详细信息，如主模态和瞬态响应等。
有限元方法在航空航天行业中被广泛应用，并成为设计优化和减小结构振动问题的重要工具。
模态测试是另一种常见的航天器结构模态分析方法。
它通过实际测量航天器结构的振动响应来确定其固有频率和振型。
模态测试通常使用激振器对航天器进行激励，并使用传感器测量结构的振动响应。
这种方法可以直接获得结构的实际振动模态，并可以用于验证有限元模型的准确性。
模态测试在航空航天研究领域广泛应用，可以为航天器结构设计和优化提供重要的实验数据。
振动测试是航天器结构模态分析的一种补充方法。
它通过对航天器进行实际振动测试来评估其结构的模态特性。
振动测试主要包括自由振动测试和激励振动测试。
自由振动测试是指航天器在无外部激励的情况下自由振动的测试，通过分析结构的自由振动频率和振型，可以确定其固有振动特性。
激励振动测试是指通过外部激励对航天器进行振动测试，以获得结构的动态特性。
振动测试可以直接获得结构的实际振动响应，并对航天器结构的动态特性有更直观的认识。
航天器结构模态分析方法在航空航天领域中有重要的应用。
首先，通过对航天器结构的模态分析可以评估其固有频率和振型，从而评估结构的稳定性和耐久性。
这对于航天器的设计与优化非常重要。
其次，通过模态分析还可以发现航天器结构的固有振动特性，从而找到导致结构失效的问题，如共振、振动干扰等。
大变形问题有限元分析
解线性方程组
通过求解由刚度矩阵构成的线性方程 组，得到离散解。
后处理
对离散解进行后处理，如误差估计、 收敛性分析等。
04
大变形问题的有限
元分析
有限元模型的建立
确定问题类型
选择单元类型
根据实际问题，确定是弹性问题、塑性问 题还是流体动力学问题等。
根据问题类型和求解精度要求，选择合适 的单元类型，如四边形单元、六面体单元 等。
在大变形问题中，由于物体的位移和变形较大，传统的有限 元分析方法可能无法准确描述物体的变形行为，因此需要采 用更高级的有限元分析方法。
研究意义
大变形问题在工程实践中具有广泛的应用，如桥梁、建筑 、航空航天等领域的结构分析。因此，研究大变形问题的 有限元分析方法具有重要的实际意义。
通过研究大变形问题的有限元分析方法，可以更好地了解 物体的变形行为，提高工程结构的可靠性和安全性。此外 ，该研究还可以为其他复杂工程问题的有限元分析提供理 论支持和方法指导。
求解方程组
利用选定的求解方法，求解建立的方程组， 得到各节点的数值解。
有限元分析的步骤和流程
对计算结果进行可视化、分析和 解释等。
建立方程组、选择求解方法和求 解方程组等。
建立几何模型、划分网格和离散 化处理等。
前处理
求解过程
后处理
05
有限元分析的实例
实例一：简单大变形问题分析
模型描述
考虑一个简单的弹性体，在受到外力作用时 发生的变形。
建立几何模型
划分网格
根据实际问题，建立相应的几何模型，包 括形状、尺寸和边界条件等。
将几何模型划分为有限个小的单元，每个 单元由节点和边组成。
有限元模型的求解
离散化处理
有限元方法与应用
1943年，美国工程师Courant首次提出了将连续 体离散化的思想，被认为是有限元方法的萌芽。
此后，有限元方法不断发展，逐渐形成了完善的 理论体系和各种高效的数值计算方法。随着计算 机技术的进步，有限元方法的应用范围和计算规 模也不断扩大。
02
有限元方法的基本原理
有限元方法的数学基础
变分原理
有限元方法的数学基础之一是变分原理，它提供了求解微分方程的能量泛函极 小值问题的框架。通过将原始微分方程转化为等价的变分问题，可以找到满足 原方程的近似解。
有限元方法广泛应用于工程、物理、生物医学等领域，用于 解决各种实际问题，如结构分析、热传导、流体动力学等。
有限元方法的重要性
有限元方法提供了一种高效、精确的数值分析工具，能够处理复杂的几何形状、非 线性材料和边界条件等问题。
通过离散化，有限元方法可以将复杂问题分解为更小的子问题，便于使用计算机进 行数值计算，大大提高了计算效率和精度。
成为声学研究的重要工具。
04
有限元方法的实现
建模与前处理
建模
建立数学模型是有限元方法的第一步， 需要将实际问题抽象为数学问题，并 确定求解域和边界条件。
前处理
前处理阶段主要涉及将模型离散化为 有限个单元，并确定每个单元的节点 和参数。这一过程需要选择合适的单 元类型和网格划分技术，以确保求解 精度和稳定性。
详细描述
有限元方法在处理大规模问题时需要优化算法和计算 过程以提高计算效率。可以采用稀疏矩阵技术、并行 计算、GPU加速等技术来提高计算效率。
06
有限元方法的应用案例
案例一：桥梁结构的有限元分析
总结词
桥梁结构的有限元分析是有限元方法的重要应用之一 ，通过建立桥梁结构的有限元模型，可以模拟桥梁在 不同载荷条件下的变形、应力和稳定性，为桥梁设计 提供重要的参考依据。
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航空航天服务项目
一、航空发动机
1、轴系弹塑性、静动力分析、疲劳分析、优化设计
2、盘系的静力计算、模态计算和动力响应计算
3、叶片模态计算、动力响应计算、热疲劳分析
4、发动机机匣载荷分析、疲劳变形分析
5、燃烧室/加力燃烧室/推进剂热应力分析、热疲劳分析、静力分析二、卫星设计
1、卫星的模态动力学分析
2、电池组托架的应力分析
3、太阳能电池板的展开
4、运输引起的冲击和损伤
三、子系统机身 1、机身
（1）静力分析
（2）动力响应分析（模态、颤振等） （3）失稳分析 （4）损伤容限分析
2、机翼 （1）静力分析
（2）动力响应分析
（模态、颤振、抖振等） （3）失稳分析 （4）损伤容限分析 （5）结构优化设计
四、起落架
1、飞行器起落架多体动力学分析
2、飞行器起落架部件级静力分析
3、飞行器起落架部件级动力分析
五、飞行器总体
1、频率和振型
2、线性和非线性静态和瞬态应力
3、失稳分析
4、飞鸟和飞机的撞击
5、总体气动性能
6、飞机、发动机的气动匹配
7、军用飞机的雷达反射特性以及红外辐射特性
航空航天案例
1、中外翼对接带板细节应力分析
某型飞机的中外翼对接带板属于疲劳薄弱部位，为对该部位的疲劳寿命作出合理的估算，需对该部位的应力分布进行准确的计算。
利用ABAQUS软件的接触分析功能对中外翼对接带板的细节应力进行了计算，给出了有限元的计算结果。
图1：有限元模型
图2：外翼带板的拉应力分布情况 图3：中央翼带板的拉应力分布情况
2、缝翼滑轨模型装配件分析
飞机的前缘缝翼是民用客机、大型飞机常用的增升活动面，是通过滑轨在滑轮组架中的运动来改变机翼的翼型，以达到增加升力的目的。
滑轨在滑轮组架中的运动就是一个典型的接触问题。
滑轮组架内在每根滑轨的安装位置沿滑轨法向和侧向各布置了两组滚轮。
当缝翼翼面上的载荷传到滑轨上时，滑轨受力变形，其上下表面就会有滚轮与滑轨表面发生接触，从而限制滑轨的法向运动；其左右两侧也会有滚轮与滑轨腹板表面发生接触，从而限制滑轨的侧向运动。
在结构受载过程中，究竟是哪一个或哪些滚轮与滑轨发生接触，从而为其提供边界约束就是边界非线性有限元分析所要考虑的主要问题。
针对某型机缝翼结构中所遇到的接触问题，真实地模拟了缝翼滑轨和滚轮之间的接触关系，进而得到真实的传力路经和应力分布。
首先，将已有的缝翼模型利用FromNastran功能将Nastran输入文件转化为ABAQUS 输入文件。
这样可以有效地利用已有模型和数据，省去重新建模的工作。
将模型导入后，就可以在ABAQUS/CAE中定义各种非线性行为，如接触等。
ABAQUS/CAE有效的支持混合建模，即有限元模型和几何模型可以同时在前处理模块中存在，并方便的施加各种约束条件和载荷。
计算完成后，ABAQUS/CAE或ABAQUS/Viewer支持各种计算结果的后处理，包括各种非线性因素
应用ABAQUS软件边界非线性有限元分析方法，能够更真实的模拟缝翼滑轨在机翼前缘舱内滑轮架中的支持条件，根据结构的受力状态判断滑轨与滚轮之间的接触状态，从而体现真实的传力路径，得到准确的应力分布。
CAE分析不但降低了对分析人员的经验要求，还可以得到局部结构更准确的受力特性，进而为结构设计和试验提供理论依据。
3、某涡轮盘强度疲劳分析
涡轮机械在高温、高压等恶劣环境下工作，其强度、疲劳等方面的性能较大程度地影响整个机组的使用寿命，采用有限元分析的方法对整个涡轮盘装配体进行计算机仿真，能够详细地模拟涡轮盘在预装配载荷、高梯度温度场、气动压力等载荷作用下应力、应变的分布，评估各装配件在循环载荷作用下的使用寿命，对新开发产品的设计起到指导性作用，并对其所在的航空航天、船舶、能源动力等领域的安全性进行评估。
图1：局部螺栓装备
图2：齿轮装配
图3：整体模型应力分析
图4：局部应力分析
4、飞机零部件加工过程工艺仿真
飞机零部件中有大量的冲压件、锻件、铸件，这些加工过程涉及冲击载荷、几何非线性、接触非线性的塑性大变形过程，ABAQUS/Standard 和ABAQUS/Explicit 的非线性分析功能及显式分析和隐式分析功能的完美结合，可获得常规方法难以获得的金属成型过程中的温度场、应力场、应变场及回弹量等工艺参数，为提高工件的加工质量、选取设备吨级、制定合理的工艺过程提供依据
以下为某飞机制造公司利用ABAQUS在飞机零部件工艺仿真过程的几个实例。
钣金成形分析：
钣金成形分析-蒙拉成形：
钣金成形分析-冲压回弹：
钣金成型起皱现象的模拟：
5、鸟撞分析
已有的实验证明，直径为2毫米的水滴，在750米/秒的速度下撞击马氏体钢，会使后者发生塑性变形。
容易想象，一只重约250 克的飞鸟，其相对飞行速度为100-300米/秒与飞机相撞，足以使飞机的挡风玻璃、机体、发动机叶片或外罩等严重变形或破碎，从而造成灾难，因此鸟撞问题一直是航空航天领域倍受关注的难题。
计算分析
飞鸟在撞击结构的过程发生在很短时间内，一般为50毫秒左右，此过程中飞鸟肌体将发生流动变形和解体而四处抛洒，结构亦将产生大变形，甚至发生破坏，例如挡风玻璃破碎、机体穿透、发动机叶片断裂等。
同时，结构有限元分析的动态响应将在较长时间内持续发生，但令人感兴趣的时间段一般不超过100毫秒。
由于鸟撞整个过程在较短的时间内完成，一般物理实验费用昂贵而且难于提供足够的信息，因此，目前在对飞行器鸟撞研究时，采取方法是以应用有限元技术模拟鸟撞为主，并辅以物理实验。
有限元程序在模拟鸟撞时，必须具备的功能包括：飞鸟物理材料的描述、飞鸟流动变形的描述、飞鸟与飞行器接触的描述、飞行器结构大变形和破坏过程的描述。
当前，世界范围内对鸟撞进行分析广泛采用的工具为ABAQUS/Explicit。
该程序是著
名高度非线性有限元显式求解程序，主要用于分析结构在高速撞机、爆炸等动载荷下的动态响应。
飞鸟在高速撞击是将产生强大的压力，足以使金属材料发生变形和破坏。
在这样的变形条件下，飞鸟的材料呈流体。
ABAQUS/Explicit中的飞鸟材料采用状态方程描述。
对于结构（飞行器）的损伤和破坏，可使用ABAQUS的材料损伤模型计算结构材料的破坏，例如挡风玻璃、叶片、发动机外罩或机体、机翼等的失效和破坏。
6、某航空零件的锻造工艺仿真分析
在产品研发初期，基于现有设备和工艺，对生产过程中锻件可能出现的缺陷进行分析，并提出优化建议。
主要通过分析模具填充（预测充不满等缺陷）、折叠、材料流动、温度场、应变场分析等得出合理的建议。
通过设备的分析，得出，采用液压机进行锻造成形时，坯料成形较为完全。
然后通过进一步分析，对锻造时容易出现缺陷的地方进行预测，并给出优化建议。
计算内容
（a）2吨模锻锤（b）液压机
图1锻造完后坯料中压力分布云图
（a）2吨模锻锤（b）液压机
图2打击力随时间变化曲线
图3接触分布
图4折叠预估
图5材料流动 东方首选整理。