Анализ аэроупругости в Femap with NX Nastran

Что такое аэроупругость?

Аэроупругость — раздел прикладной механики рассматривающий взаимодействие летательного аппарата как упругой системы с воздушной средой. Аэродинамические силы, действующие на летательный аппарат при его движении в воздухе, вызывают деформации упругой конструкции, приводящие в свою очередь к изменению аэродинамических сил. Аэроупругость учитывают при расчёте прочности, оценке устойчивости и управляемости летательного аппарата.

Расчет аэроупругости в Femap with NX Nastran: Aeroelasticity.

Программное решение Femap with NX Nastran: Aeroelasticity от компании Siemens PLM Software позволяет оценить влияние жидкости и газа на поведение конструкции – деформацию, жёсткость и пр. Данный программный модуль позволяет рассчитать взаимодействие  аэродинамических, упругих и инерционных сил действующих на конструкцию.

Наиболее наглядным примером взаимодействия структуры конструкции в газообразной среде является аэроупругая статическая неустойчивость (дивергенция). Рассмотрим крыло, погруженное в воздушный поток:

При произвольном угле атаки, крыло летательного аппарата будет генерировать подъемную силу на четверть хорды. В большинстве случаев, подъёмная сила не распространяется на центр сдвига, а это означает, что в дополнение к подъемной силе действующей на структуру крыла самолета применяется торсионный момент. Это приводит к закручиванию крыла, которое может привести к увеличению подъемной силы крыла:

Петля обратной связи, которая при увеличении подъемной силы крыла самолета может продолжаться до тех пор, пока некоторые точки равновесия не будут достигнуты:

Это взаимодействие проявляется в снижении жёсткости крыла самолета, т.к скорость свободного потока настолько высока, что крыло не достигнет неравновесной точки, где жесткость крыльев уменьшается до 0. Это явление называют дивергенцией и оно может привести к катастрофическим результатам для любых  летательных аппаратов.

В какие случаях используется расчет аэроупругости?

Расчет аэроупругости используется для проведения анализа исследуемой структуры в гидро- и газообразной среде. Чаще всего данные задачи встречаются при разработке ракет, мостов и летательных аппаратов (композитов и особенно HALE (High Altitude, Long Endurance) – концепция Boing по созданию беспилотных летательных аппаратов которые характеризуются большой высотой, длительностью и выносливостью).

1. Создание точной нагрузки без расчета CFD (гидрогазодинамики).
   ‍Инженер прочнист не всегда имеет возможность создавать и применять в конструкции газодинамические нагрузки используя методы CFD. Одним из преимуществ использования программного решения NX Nastran: Aeroelasticity является то, что эти нагрузки могут быть созданы и проанализированы на любой стадии полета самолета (координированный разворот, установившийся горизонтальный полёт на высоте и т.д). Программное решение NX Nastran: Aeroelasticity позволяет провести расчет балансировочных характеристик самолета на любой стадии. Это означает, что с минимальным входными данными о геометрии самолета, точные нагрузки могут быть легко и быстро созданы без необходимости консультаций по аэродинамике.
2. Гибкая структура конструкции.
   ‍При использовании гибкой структуры конструкции необходимо провести не только линейный статический анализ (решатель SOL 101), но и линейный анализ на устойчивость (SOL 105). Если структура конструкции летательного аппарата жесткая, расчет аэродинамических нагрузок с использованием CFD расчетов как правило достаточен. Однако, это не так. При линейном статическом анализе, нагрузка может изменить и уменьшить твердость конструкции, что может привести к дополнительной деформации и соответственно к дополнительной нагрузке. Это приведет к тому, что летательный аппарат создает большую подъемную силу,
   чем если бы конструкция была твердой. Статический анализ аэроупругости SOL NX Nastran 144 позволит уменьшить твердость корпуса конструкции летательного
   аппарата с учетом аэродинамической нагрузки.
3. Оптимизация с учетом аэроупругости.
   ‍При разработке летательного аппарата из композитных материалов оптимизация с учетом аэроупругости позволяют снизить нагрузку и массу самолета одновременно увеличив его рентабельность. Оптимизация широко используется для повышения эффективности управления и улучшения реакции летательного
   аппарата на воздействие воздушного порыва.
4. Обнаружение дивергенции и флаттера.
   ‍Дивергенция и Флаттер - аэроупругая неустойчивость, которая очень опасна для летательного аппарата, так как может привести к катастрофическим последствиям. Программный модуль аэроупругости Femap with NX Nastran: Aeroelasticity позволяет произвести данные расчёты как на крыле, так и на всем самолете.
5. Реакция на воздействие воздушного порыва.
   ‍Кроме расчета балансировочных характеристик, иногда необходимо рассмотреть поведение самолета при динамическом воздействии воздушного порыва, который может привести к более высоким напряжениям, чем могли быть рассчитаны. Высокие нагрузки из-за воздействия порыва ветра могут быть особенно опасными на границе режимов полета, например во время координированного разворота самолета.
   

‍