ANSYS复合材料仿真分析及其在航空领域的应用
ANSYS 航天航空和国防领域应用及推荐Wiseteam图形工作站
ANSYS 航天航空和国防领域应用及推荐Wiseteam图形工作站航空航空器设计专家不断的挑战来提高飞机的燃油效率，为了达到这个目标，工程师们使用已有的或新的复合材料使设计更加符合空气动力学特性，最终设计出更轻，更牢固、更安全、更舒适的用于商务和军用的飞机。
借助于仿真软件可以解决类似于像预测层流到湍流的转捩这样的复杂问题。
工程师使用ANSYS软件能够很容易的获得层流的范围。
对于设计者最重要的是预测阻力并找到减少阻力的方法。
此外，边界层的状态决定了流动分离的位置，例如，当飞机起飞和着陆时假设为完全湍流时得到了最大升力系数，这样预测的结果是不可信的。
全湍流假设使边界层中具有更大的动量而使预测的附着流动较实际飞行中更长。
使用ANSYS CFD软件，工程师可以更加精确的预测流动在什么位置分离，机翼在什么情况下升力下降。
在详细的设计阶段，工程师们总会发现飞机会超出它们的重量规格，结合了多学科包括结构、流体和电磁的ANSYS软件将会很容易的解决这个问题。
ANSYS整套的参数化流程能够快速的完成权衡分析和多物理场模拟。
例如，跨音速流动、分离流或者高空长航时飞行器的非线性气弹效应能够精确采用ANSYS软件模拟。
例如天线结构设计需要承受静载荷和动载荷，例如有时候会遇到鸟类的撞击和弹道的冲击。
作为仿真驱动产品的开发的开拓者，在改革创新和提高质量的过程中，ANSYS帮助航空公司达到零返工的目标，并且加速了该行业的发展，减小了设计费用国防类公司和政府机构面临一个千变万化的军事和安全形势。
目前威胁到国家安全的不总是那些容易确认因素，现在的斗争领域就像一个城市的街道是一个开放的领域。
政府和企业必须快速发展，使科技、装备和兵器能够适应新型战争的要求。
降低系统和航天器的重量对国防工业来讲是一个主要的任务。
装甲要足够轻以便士兵能操纵它。
油箱必须足够轻以便飞行器能够更容易的完成输运工作。
现在人们不断的尝新型轻薄型材料和复合材料希望能满足战争环境的要求。
复合材料在航空航天领域的应用
复合材料在航空航天领域的应用航空航天工程是当今科技领域中最具挑战性和前沿性的领域之一。
随着科技的不断进步，复合材料作为一种新型材料，在航空航天领域中得到了广泛的应用。
复合材料是由两种或两种以上的不同材料组合而成，具有优异的力学性能和轻质化特点，成为航空航天工程中不可或缺的材料。
复合材料在航空航天领域中的应用主要体现在飞机结构中。
传统的金属材料在飞机结构中存在着重量大、阻力大等问题，而复合材料具有比重较低、强度高、刚度大等优点，可以有效减轻飞机的自重，并提高飞机的飞行性能。
例如，复合材料可以用于飞机的机翼、机身等结构部件，使得飞机具有更好的飞行稳定性和燃油经济性。
复合材料在航空航天领域中还广泛应用于航天器热保护系统。
航天器在大气层再入过程中会受到高温的热辐射，传统的热保护材料往往难以满足高温、高速的要求。
而复合材料具有优异的耐高温性能和热稳定性，可以有效保护航天器在再入过程中不受高温的影响。
因此，复合材料在航天器热保护系统中的应用，可以保证航天器的安全和稳定。
复合材料还被广泛应用于卫星的结构设计和制造中。
卫星需要具有轻质化、高强度、高刚度等性能，以满足卫星在太空中的长期运行需求。
复合材料作为一种理想的卫星结构材料，可以有效减轻卫星的重量，提高卫星的运载能力和工作效率。
因此，复合材料在卫星制造中的应用，可以提高卫星的整体性能和可靠性。
复合材料在航空航天领域中的应用是不可忽视的。
复合材料以其轻质化、高强度、高刚度等优点，为航空航天工程提供了新的解决方案。
随着科技的不断进步，相信复合材料在航空航天领域中的应用将会更加广泛，为航空航天工程的发展注入新的活力。
复合材料在航空领域的用途
复合材料在航空领域的用途航空工业的发展从来都是以技术进步为驱动力的，而复合材料作为一种新型材料，在航空领域的应用越来越广泛。
复合材料具有高强度、轻质化、耐腐蚀、低热膨胀系数等优点，可以有效提高飞机的性能和安全性。
本文将重点介绍复合材料在航空领域的用途。
1. 结构件应用复合材料在航空领域广泛应用于飞机结构件上，如机身壁板、翼面、垂尾等。
相比于传统金属材料，采用复合材料可以显著减轻结构重量，降低燃油消耗，并提升飞机整体性能。
复合材料的高强度和抗冲击性能可以提高飞机的结构强度，增加安全性。
2. 动力系统应用复合材料在航空领域的另一个重要应用是动力系统上，如发动机叶片、气门、涡轮等。
复合材料可以耐高温、耐磨损、降低噪音和振动，使得动力系统具有更好的性能和可靠性。
同时，采用复合材料制造发动机部件还可以减轻重量，提高燃烧效率，降低机身油耗。
3. 内饰及设备应用除了结构件和动力系统，复合材料还被广泛应用于飞机的内饰及设备中。
例如客舱内部的座椅、行李架、蒙皮等都可以采用复合材料制造，不仅能够提供更好的舒适性和安全性，还能够减轻飞机自身重量，降低能耗。
4. 航空器维修与保养在航空器维修与保养方面，复合材料也起到了重要的作用。
由于其优异的耐腐蚀性能和良好的可靠性，使用复合材料制造的零部件不仅具有较长的使用寿命，而且在维护过程中需要投入较少的时间和费用。
因此，在航空器维修与保养中广泛采用的一种做法就是使用复合材料替换原有金属零件。
5. 其他应用除了以上提到的主要领域，航空工业还会在其他方面应用复合材料。
例如，在无人机制造中，采用复合材料能够提供更好的机动性能和稳定性。
此外，在航天器设计中，使用复合材料可以减轻重量并提供更好的抗辐射和抗高温能力。
结论复合材料在航空领域的应用越来越广泛，对于提升飞机整体性能和安全性起到了重要作用。
随着科学技术的进步和人们对于环保和节能要求的日益增强，相信复合材料在航空领域将会有更大的发展前景，并将持续推动这一行业向更加先进和可持续方向发展。
ANSYS在飞机设计中的应用
ＡＮＳＹＳ 在飞机设计中的应用 飞机一般由机翼起落架和飞机操作系统组成用以往的经典工程分析进行应力分析已满足不了现代飞机型号设计的要求分析的部位具有局限性使得复杂的工程问题得以用有限元法进行分析使用有限元对飞机结构进行分析具有极大的优越性它可以对飞机的各大部件如机身舵面气密舱热分析电磁分析固体耦合结构耦合结构耦合以及电流体完全能满足飞机设计中对有限元分析的需求设计军用飞机在高振动条件下工作的马达控制器装有ＰＣＢ 板为了在实验前揭露潜在的设计问题采用ＡＮＳＹＳ 进行了随机振动分析穆格公司的工程师杰拉德．米耶尔兹说我们发现ＡＮＳＹＳ是一个极有价值的工具识别潜在的许多问题图３－２ 为变形 １． 总体 在飞机总体设计分析中要考虑的问题有l 飞机１２ 飞机用ＡＮＳＹＳ 进行了动力响应分析 ＡＮＳＹＳ 强大的动力响应分析功能可以快速地进行模态和振型计算可以准确地计算出飞机在各种条件下的模态和振型ＡＮＳＹＳ 共有九十九层的复合材料壳单元和实体单元这些单元允许叠加各向同性或各向异性材料层ＡＮＳＹＳ 提供的失效准则有最大应变失效准则Ｗｕ 失效准则ＡＮＳＹＳ 的复合材料功能特别适合于有大量复合材料的飞机系统ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ 为机身在振动一方面软件自身提供了铆接焊缝另一方面显示求解方法在振动等瞬态分析中容易处理联接 解决动态撞击问题也是ＡＮＳＹＳ 的优势所在但要想通过实验来获得这样的效果是不现实的而且设计周期也会很长还特有安全带单元图３－５ 图３－５ 飞机事故模拟 1 6 8ＡＮＳＹＳ 能方便地进行失稳分析从稳态到瞬态的各种气动力学问题所以对计算的结构形式没有任何限制ＡＮＳＹＳ 在航空航天器空气动力学分析中的应用ＡＮＳＹＳ 在航空航天器电子产品热设计中的应用 ＡＮＳＹＳ 具有强大的电磁场分析功能可以很方便地计算军用飞机的雷达和红外隐身特性ＡＮＳＹＳ 在航空航天器电磁兼容直径为２ 毫米的水滴会使后者发生塑性变形一只重约２５０ 克的飞鸟足以使飞机的挡风玻璃发动机叶片或外罩等严重变形或破碎因此鸟撞问题一直是航空航天领域倍受关注的难题一般为５０ 毫秒左右结构亦将产生大变形例如挡风玻璃破碎发动机叶片断裂等结构的动态响应将在较长时间内持续发生 由于鸟撞整个过程在较短的时间内完成因此采取方法是以应用有限元技术模拟鸟撞为主 有限元程序在模拟鸟撞时 l 飞鸟物理材料的描述 l 飞鸟流动变形的描述 l 飞鸟与飞行器接触的描述 l 飞行器结构大变形和破坏过程的描述 当前该程序是著名高度非线性有限元显式求解程序爆炸等动载荷下的动态响应可进行流体 飞鸟在高速撞击时将产生强大压力在这样的变形条件下ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ 中的飞鸟材料采用流体动力材料粘度外如可压缩性 以前飞行器对飞鸟变形过程不够重视还与其流动过程以及破碎的时间密切相关正确描述飞鸟的流动和破碎过程对整个分析至关重要ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ 提供两种方式描述飞鸟的流动和破碎或ＡＬＥＥＵＬＥＲ 单元或ＡＬＥ足以描述与结构分离前的变形在图３－６ 的鸟撞过程模拟中 图３－６ 叶片的鸟撞过程模拟 ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ 在处理飞鸟与飞行器的接触过程中亦提供两种方式或ＡＬＥ使用结构／结构接触算法采用流体／结构耦合算法飞行器可使用ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ 附加破坏算法的结构材料挡风玻璃弹塑性破坏材料发动机外罩机体等ｓｍｏｏｔｈ－ｐａｒｔｉｃｌｅ－ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ （ＳＰＨ）这种方法的特点是以一组质点定义相应物质更易于描述飞鸟的变形和破碎过程图３－７ 的叶片鸟撞过程即采用的这种方法最初的机翼结构设计造成内部横梁断裂图３－８ 为鸟撞过程已经是相当成熟的技术关于鸟撞的研w w w . i t 1 6 8 . c o m究文章每年都占一定比例发动机叶片 图３－８ ＧＶ 型湾流豪华公务机机翼前缘鸟撞模拟 ３． 机翼 机翼大致由蒙皮翼梁和墙机翼主体受到气动载荷可以运用ＡＮＳＹＳ 提供的梁单元壳单元各向异性单元对机翼进行静力分析模态抖振等失稳分析结构优化设计然后将计算结果作为气动激励进一步计算分析机翼的动力响应图３－９ 机翼动力响应分析机翼的固定件还可以运用ＡＮＳＹＳ 的非线性功能进行塑性和接触等非线性分析都是典型的薄壁结构隔框承受的主要载荷有l 惯性载荷 l 地面载荷 l 动力装置载荷 l 其他载荷 机身骨架由梁组成梁单元的断面参数定义结果表示非常不方便并允许用户自定义不规则断面形状库方便使模型表示及检查更加容易按拉正压负的工程习惯绘制彩色弯矩图 ＡＮＳＹＳ 强大而方便的建模及载荷处理功能杆单元三维实体单元可方便动力响应分析颤振等失稳分析结构优化设计结构耦合分析功能可以对机身进行温度场计算以及热应力和热变形计算移动壁面的功能可以方便地模拟机身的飞行状态利用ＡＮＳＹＳ 的流图３－１０ 对机身的固定件还可以运用ＡＮＳＹＳ 的非线性功能进行塑性和接触等非线性分析以确定过渡圆角半径和销钉厚度蓝色单元表示轴承 ５． 起落架 在飞机设计里为了保证飞机的安全起飞要求起落架具有足够的强度为了使飞行器离地后具有良好的性能 1 6 8图３－１１ 轮胎与地面碰撞的仿真分析 可以运用ＡＮＳＹＳ 提供的多种单元对起落架进行静力分析飞机着陆过程是典型的冲击类问题可对着陆过程进行冲击分析损伤容限分析 起落架在载荷上要承受强冲击载荷因此起落架的分析是高度非线性分析滑动间隙弹簧组合矩阵单元可方便地模拟多种阻尼缓冲件的静因此在起落架的分析中可以考虑进所有的主要因素同样可以运用ＡＮＳＹＳ 的分析计算功能进行各种分析可以模拟在紧急状况下安全部件对乘员的保护过程提高了安全性图３－１３ 为坐椅的应力云图锻件这些加工过程涉及冲击类载荷接触非线性的塑性大变形过程应力场为提高工件的加工质量制定合理的工艺过程提供依据热接触类型热塑性材料本构模式ＡＬＥ 及Ｅｕｌｅｒ 三种描述方式 w w w . i t 1 6 8 . c o mＬＳ－ＤＹＮＡ 时间积分器采用中心差分格式由于质量矩阵进行对角化处理一般的冲压铸造等问题合理控制有限元规模这样的效率是其它程序难以相比的可良好地完成冲压模拟拉延切边翻边分析板料的减薄拉裂回弹板料通过给定材料的ＦＬＤ判断板料在拉延过程中局部开裂现象用于板料成形的材料模式是各种弹塑性材料强化特征随动强化混合强化以及应变率对材料强化的影响适于板成形分析的有１２种ｐｅｎａｌｔｙ在接触计算过程中考虑壳单元厚度及其变化可在计算过程中对板料网格进行局部加密材料在多数情况下经历较大的温度变化ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ 中热塑性材料模型很适于描述锻压过程中的材料行为ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ 特有的单点积分良好地解决了大变形体积锁死问题应力更新中采用Ｊａｕｍａｎｎ 应力率在剪切变形较大时 在多数锻压分析中则随着金属件成形过程的继续将导致单元精度降低甚至发生畸变ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ 可以自动进行网格重划分ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ 早已采用一种更为先进的网格ＡＬＥＡＬＥ 网格进行Ｒｅｚｏｎｉｎｇ 的目的和过程与Ｒｅｍｅｓｈｉｎｇ 基本相同后者是拉格朗日网格ＡＬＥ 结合拉格朗日和欧拉网格各自的优点除此之外此方法的最大特点是物质与网格相互独立同时时间步长不会因变形的增大而降低此外如冷却水耦合分析欧拉构形主要有三种二阶精度的Ｖａｎ Ｌｅｅｒ多物质流体的单元构形主要有二种多种材料的混合单元（压力平衡）ｓｈｅｌｌ不需要滑移界面此类求解器的加入可求解如自由界面流动流体混合金属构件浇注成型图３－１６ 浇注过程模拟 ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ 在进行浇注模拟时并将其材料定义成空或任何物质Ｅｕｌｅｒ ａｍｂｉｅｎｔ即物质由此进入Ｅｕｌｅｒ 区或 ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ 的流体介质定义为流体动力材料即压力方程随着物质由浇口流入Ｅｕｌｅｒ 区最终达到平衡ＬＳ－ＤＹＮＡ 中可方便施加温度边界条件和热生成 浇注过程模拟完成后ＡＮＳＹＳ 的相变分析及热变形应力分析功能考察不同的落沙条件ＰＣＣ 叶片制造公司输入熵与温度关系取得了很好的结果图３－１７ 中红色部分表示仍然处在熔化状态 图３－１７w w w . i t 1 6 8 .。
复合材料在航空领域的应用
复合材料在航空领域的应用
复合材料是指由两种或两种以上不同的材料组成的新材料，具有多种
材料的优点和互补性能。
在航空领域，复合材料具有重量轻、强度高、耐
腐蚀、热稳定性好等优点，因此被广泛应用于飞机的结构件、外壳、发动
机舱等部位。
本文将从复合材料在飞机结构中的应用、外壳及涂层中的应
用以及在发动机舱中的应用等方面进行论述。
首先，复合材料在飞机结构中的应用广泛，主要体现在机翼、尾翼、
襟翼等部位。
由于复合材料具有较高的强度和刚度，可以减少结构重量，
提高飞机的机动性和燃油效率。
例如，波音公司的777客机采用了大量的
复合材料结构件，使整机减重约20%，燃油效率提高了10%以上。
此外，
复合材料还具有良好的耐腐蚀性能，可以延长飞机使用寿命，减少维护成本。
其次，复合材料在飞机外壳中的应用也非常重要。
飞机外壳是保护乘
客和货物免受外界环境影响的重要部位。
复合材料具有优异的抗疲劳性能
和耐腐蚀性能，可以提供更好的保护。
此外，复合材料的制备工艺灵活，
可以制造出各种形状和尺寸的外壳，以满足不同型号和用途的飞机的需求。
例如，波音公司的787梦想飞机采用了大量的复合材料外壳，使整机的飞
行距离和航程得到了大幅度的增加。
总之，复合材料在航空领域的应用非常广泛，不仅可以减少飞机的自重，提高燃油效率，还可以提供更好的抗疲劳性能和防腐蚀性能。
未来，
随着航空科技的不断发展和复合材料技术的进一步成熟，相信复合材料在
航空领域的应用将会进一步扩大。
ANSYS在航空航天器电子产品中的应用解析
ANSYS 在航空航天器电子产品中的应用解析
飞机一般由机翼、机身、起落架和飞机操作系统组成，其结构受力复杂，用以往的经典工程分析进行应力分析已满足不了现代飞机型号设计的要求，花费的时间长，分析的部位具有局限性。
随着大型计算机及工作站的出现和大量工程应用软件的投入使用，使得复杂的工程问题得以用有限元法进行分析。
从而使航空结构分析走上CAE 的道路。
使用有限元对飞机结构进行分析具有极大的优越性。
ANSYS 程序是一个功能强大灵活的设计分析及优化软件包，它可以对飞
机的各大部件如机身、机翼、舵面、发动机短舱、气密舱、起落架等进行常规的结构分析、热分析、空气动力分析、电磁分析，而且其强大的多物理场耦合功能可进行诸如流体－固体耦合、热－结构c、磁－结构耦合以及电－磁－流体－热- 结构耦合分析，完全能满足飞机设计中对有限元分析的需求。
图3-1 图3-2 图3-3
位于纽约州的奥欧拉市的穆格公司，设计军用飞机在高振动条件下工作的马达控制器，该控制器由铸铝室和若干电子模块组成，装有PCB 板，冷却风扇及其它结构。
为了在实验前揭露潜在的设计问题，以避免鉴定阶段的重复。
复合材料在航空航天领域的应用与发展
复合材料在航空航天领域的应用与发展航空航天领域一直是科技发展的前沿领域之一，为了满足航空器和航天器对结构材料的高强度、轻量化、高温耐久性等要求，复合材料在航空航天领域中得到了广泛的应用和发展。
本文将探讨复合材料在航空航天领域中的应用以及有关的发展趋势。
首先，复合材料在航空领域中的应用已经成为航空器结构设计中的重要组成部分。
与传统金属材料相比，复合材料具有重量轻、强度高、抗腐蚀性能好等优点，使得其成为航空领域中的理想选择。
例如，复合材料可以用于制造飞机机身、机翼和尾翼等结构件，以减轻整体重量并提高机身的稳定性和气动性能。
同时，复合材料还可以用于制造飞行器的隔离罩、发动机罩和燃料储存系统等关键部件，以提高其耐高温和抗腐蚀能力。
其次，复合材料在航天领域中的应用也不断扩大与深化。
航天器一直是人类探索宇宙的重要工具，而复合材料的应用则在提高载荷能力、提升耐受极端环境能力方面发挥着重要作用。
例如，复合材料可以用于制造航天器的热防护板，以保护航天器免受大气层再入期间的高温和高速冲击。
此外，复合材料还可以用于制造卫星的外壳、反射天线和太阳能电池板等部件，以提高卫星的稳定性和运行效率。
除了在航空器和航天器的结构应用中，复合材料还在航空航天领域的其他方面有广泛的应用。
例如，复合材料可以用于制造燃料系统和推进系统中的储存和传输部件，以提高燃料的效率和安全性。
此外，复合材料的电磁性能优越，可以用于制造雷达罩和电磁干扰措施系统等电子设备。
此外，复合材料还可以用于制造航空航天器的装饰件和内饰件，以满足航天器外观的美观要求。
在复合材料在航空航天领域的应用发展过程中，一些潜在的挑战和问题也需关注。
首先，复合材料的制造技术和工艺需要高度的控制和专业知识，制造和维修成本较高。
其次，复合材料的可靠性和耐久性需要进一步验证和研究，确保在严苛的环境中长时间的使用。
另外，复合材料的再生和回收问题也需要解决，以降低材料的环境影响和资源浪费。
复合材料在航空航天领域的应用
复合材料在航空航天领域的应用航空航天领域一直是人类探索未知、追求进步的前沿阵地，而复合材料的出现和应用则为这个领域带来了革命性的变化。
复合材料具有优异的性能，如高强度、高刚度、低密度、耐腐蚀等，使其成为航空航天领域中不可或缺的重要材料。
复合材料在飞机结构中的应用十分广泛。
飞机的机身、机翼、尾翼等主要结构部件都可以采用复合材料制造。
以机身为例，使用复合材料可以显著减轻飞机的重量，从而降低燃油消耗，提高飞行效率。
例如，波音 787 客机的机身结构中有大约 50%使用了复合材料，这使得飞机在重量上相比传统金属结构的飞机有了大幅降低。
机翼是飞机产生升力的关键部件，复合材料的高强度和高刚度特性能够满足机翼在复杂受力情况下的要求，同时还能减轻重量，提高飞机的载重能力和飞行性能。
在航天领域，复合材料同样发挥着重要作用。
航天器在发射和运行过程中要承受极端的温度、压力和辐射环境，对材料的性能要求极高。
复合材料的耐高温、耐腐蚀和高强度等特性使其成为制造航天器结构的理想选择。
比如，火箭的外壳和发动机部件常常采用复合材料制造。
复合材料能够承受火箭发射时的高温和巨大的推力，保证火箭的结构完整性和可靠性。
复合材料在航空航天领域的应用还体现在飞行器的内饰和零部件上。
飞机的座椅、行李架、控制面板等内饰部件使用复合材料可以减轻重量，提高舒适度和安全性。
在零部件方面，复合材料制成的螺栓、螺母、垫片等具有重量轻、强度高、耐腐蚀的优点，能够提高飞行器的整体性能和可靠性。
除了结构方面的应用，复合材料在航空航天领域的功能应用也日益重要。
例如，复合材料可以用于制造雷达罩，其良好的电性能可以保证雷达信号的传输和接收不受干扰。
此外，复合材料还可以用于制造隔热材料，保护飞行器在高温环境下的设备和人员安全。
然而，复合材料在航空航天领域的应用也面临一些挑战。
首先是成本问题，复合材料的制造工艺相对复杂，原材料价格较高，导致其成本相对传统金属材料较高。
这在一定程度上限制了复合材料在一些对成本敏感的项目中的应用。
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ANSYS复合材料仿真分析及其在航空领域的应用
复合材料，是由两种或两种以上性质不同的材料组成。
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的互补和关联，获得优异的性能。
复合材料具有比强度大、比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性、以及材料性能可设计的特点，应用于航空领域中，可以获得显著的减重效益，并改善结构性能。
目前，复合材料技术已成为影响飞机发展的关键技术之一，逐渐应用于飞机等结构的主承力构件中，西方先进战斗机上复合材料使用量已达结构总重量的25%以上。
飞机结构中，复合材料最常见的结构形式有板壳、实体、夹层、杆梁等结构。
板壳结构如机翼蒙皮，实体结构如结构连接件，夹层结构如某些薄翼型和楔型结构，杆梁结构如梁、肋、壁板。
此外，采用缠绕工艺制造的筒身结构也可视为层合结构的一种形式。
一.复合材料设计分析与有限元方法复合材料层合结构的设计，就是对铺层层数、铺层厚度及铺层角的设计。
采用传统的等代设计（等刚度、等强度）、准网络设计等设计方法，复合材料的优异性能难以充分发挥。
在复合材料结构分析中，已经广泛采用有限元数值仿真分析，其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，包括了对结构的离散和每一铺层的离散。
这样的离散可以使铺层的力学性能、铺层方向、铺层形式直接体现在刚度矩阵中。
有限元分析软件，均把增强材料和基体复合在一起，讨论结构的宏观力学行为，因此可以忽略复合材料的多相性导致的微观力学行为，以每一铺层为分析单元。
二.ANSYS复合材料仿真技术及其在航空领域应用复合材料具有各向异性、耦合效应、层间剪切等特殊性质，因此复合材料结构的精确仿真，已成为现代航空结构的迫切需求。
许多CAE程序都可以进行复合材料的分析，但是大多程序并没有提供完备的功能，使复合材料的精确仿真难以完成。
如有些程序不提供非线性分析能力，有些不提供层间剪切应力的求解能力，有些不提供考虑材料失效破坏继续计算能力等等。
ANSYS作为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领域，为飞机结构中的复合材料层合结构分析提供了完整精确的解决方案。
1.复合材料的有限元模型建立针对飞机结构中的复合材料层合板、梁、实体以及加筋板等结构类型，ANSYS提供一种特殊的复合材料单元———层单元，以模拟各种复合材料，铺层数可达250层以上，并提供一系列技术模拟各种复杂层合结构。
复合材料层单元支持非线性、振动特性、热应力、疲劳断裂等各种结构和热的分析功能和算法。
2.复合材料的层合结构定义：■铺层结构：ANSYS对于每一铺层可先定义材料性质、铺层角、铺层厚度，然后通过由下到上的顺序逐层叠加组合为复合材料层合结构；也可以通过直接输入材料本构矩阵来定义复合材料性质。
■板壳和梁单元截面形状：ANSYS利用截面形状工具可定义矩形、I型、槽型等各种形式；还可以定义各种函数曲线以模拟变厚度截面。
3.特殊层合结构的模拟：?变厚度板壳铺层切断：将切断的某铺层厚度定义为零，即可模拟铺层切断前后的板壳实际形状。
（图1上）?不同铺层板壳的节点协调：ANSYS板壳层单元的节点均可偏置到任意位置，使不同铺层数板壳的节点在中面或顶面、底面对齐。
（图1下）?蜂窝/泡沫夹层结构：ANSYS通过板壳层单元来模拟夹层结构的特性，夹层面板和芯子可以是不同材料。
（图2）?板－梁－实体组合结构：ANSYS将实体、板壳与梁等不同类型单元通过MPC技术相联系，各类单元的节点不需要重合并协调，便于飞机等复杂结构模型的处理。
4.复合材料有限元模型的检查：复合材料结构模型建立后，可以将板壳和梁单元显示为实际形状，还可以通过图形显示和列表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。
（图3）5.复合材料层合结构分析ANSYS层单元支持各种静强度刚度、非线性、稳定性、疲劳断裂和振动特性等结构分析。
完成分析后，可以图形显示或输出每个铺层及层间的应力和应变等结果（虽然一个单元包含许多铺层），根据这些结果可以判断结构是否失效破坏和满足设计要求。
6.复合材料失效准则ANSYS已经预定义了三种复合材料破坏准则来评价复合材料结构安全性，包括最大应变/应力失效准则，蔡－吴（Tsai-Wu）准则。
每种强度准则均可定义与温度相关，考虑不同温度下的材料性能。
另外，用户也可自定义最多达六种的
失效准则，对特殊复合材料进行失效判断。
7.复合材料结构层间剪切应力：复合材料层合结构的层间剪切应力，几乎完全依靠层间界面的树脂基体承载，很容易导致层合结构的分层破坏，是整个结构的薄弱环节。
通常的有限元分析依据经典的层合板理论，各铺层按平面应力状态计算，不考虑层间应力，不够精确。
ANSYS可以利用各铺层单元在厚度方向上的叠加来模拟层合结构，弥补了经典理论的不足，可以精确地求解层间应力。
8.复合材料结构热应力分析：复合材料热膨胀系数的各向异性和铺层方向的不对称造成的耦合效应，使复合材料结构即使均匀升温也会在结构内部产生热应力。
复合材料这一特性与普通均匀材料大为不同，因此复合材料结构的热应力分析必须引起重视。
■ANSYS的结构－热耦合分析，可以对复合材料在热环境下的热膨胀应力、结构固化成形过程中100℃～200℃的温差而引起的结构固化变形和残余应力进行分析。
■ANSYS程序中的材料性质、强度准则均可以定义为随温度变化，以此来引入温度变化对结构物理性能的影响。
三.复合材料结构屈曲失稳实例 1.工程背景：飞机的复合材料结构中，板加筋结构形式最为常见，如壁板、隔框、翼盒等。
通常，飞机的复合材料加筋板的厚度较薄，因此结构分析不仅仅是判断材料的失效破坏和层间剪切破坏，还应该关注结构是否屈曲失稳而破坏。
利用ANSYS对某复合材料加筋板（图4）的屈曲特性进行分析，并确定结构的极限承载能力。
结构壁板和筋条的厚度很小，为典型的板－梁结构，选用ANSYS复合材料板壳单元，同时将单元节点偏置以协调铺层数的变化导致的板结构错层。
2.复合材料结构屈曲失稳理论复合材料结构的屈曲分析可分为特征值屈曲和非线性屈曲。
通常特征值屈曲所得出的结果偏大，不够安全，实际工程中应用较少。
非线性屈曲分析可以考虑结构大变形、结构初始缺陷、复合材料失效等实际工况，从而获得更为
精确的屈曲临界载荷。
特别是结构屈曲失稳之前，部分复合材料有可能已经失效破坏，结构的应力将重新分布并且刚度有所减弱。
因此考虑复合材料失效后，结构屈曲荷载将有所降低并接近实际。
3.屈曲分析结果首先进行特征值屈曲分析，屈曲临界荷载为808.0KN。
但是，在考虑结构几何大变形、应力刚化等实际情况后，非线性屈曲的临界荷载降低为770.1KN。
再引入复合材料结构失效对非线性屈曲的影响，因为结构部分失效导致应力重分布和刚度减弱，屈曲临界载荷更降低为656.2KN（图5）。
计算结果与实验结果只相差5%。
4.应用小结计算过程考虑了结构非线性及材料失效对屈曲临界荷载的影响，实际结果为656.2KN，与试验结果相差仅5%，结果比较精确。
而特征值屈曲分析和不考虑材料失效影响的非线性屈曲临界载荷的计算，被证明是不够保守的，难以为复合材料结构屈曲的设计提供准确依据。
四.结论飞机等航空结构中的复合材料结构仿真分析，越来越强调分析精度和贴近工程实际，如要求计算复合材料层间剪切效应、固化成形后的残余热应力、材料部分失效后的结构屈曲失稳等。
ANSYS通过对复合材料的铺层定义材料、铺层角以及铺层厚度，来组成“层单元”，以模拟各类航空复合材料层合结构，可以精确地分析材
料的失效破坏、层间剪切效应。
另外还可以满足飞机结构中复合材料的非线性屈曲失稳、振动特性分析、以及结构的热效应分析等更多仿真需求。
（注：素材和资料部分来自网络，供参考。
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