Авиационные тренажеры играют очень важную роль в обучении пилотов. Для обеспечения подготовки экипажей в полном объеме их функциональных обязанностей по летной эксплуатации воздушного судна конкретного типа используются комплексные тренажеры, включающие в себя систему подвижности. Для проектирования и/или исследования поведения при эксплуатации такой подвижной капсулы, расчеты динамики и прочности являются достаточно актуальными. Компания ANSYS предлагает широкий набор инструментов для моделирования таких механических систем при самых разнообразных режимах работы и ситуациях.
При исследовании прочностных характеристик конструкции авиационного тренажера отдельный интерес вызывают особенности поведения конструкции при вибрационных воздействиях. При помощи расчетных методик ANSYS Mechanical можно моделировать множество различных динамических ситуаций и получать соответствующий отклик как внутри кабины, так и за ее пределами.
Модальный анализ в ANSYS Mechanical позволит определить резонансные частоты свободных колебаний конструкции.
Рисунок 2. Форма свободных колебаний кронштейна ремня безопасности.
Расчет гармонического отклика (Harmonic Response) в ANSYS Mechanical позволяет моделировать отклик конструкции при вынужденных колебаниях. Среди результатов доступны амплитудно частотные характеристики множества различных величин, включая и перемещения, скорости, ускорения и различные параметры напряженно деформированного состояния (НДС), но не ограничиваясь ими. Особый интерес представляют параметры НДС на частоте резонанса при вынужденных колебаниях. Этим методом можно моделировать поведение элементов конструкции кабины или системы подвижности на режимах работы вблизи резонансных частот.
Расчет спектра отклика (Response Spectrum) в ANSYS Mechanical реализует одноименную методику в рамках метода конечных элементов. При его помощи можно получить параметры НДС конструкции, соответствующие известному спектру отклика. В частности, этим методом можно моделировать ударное воздействие на конструкцию кабины в частотной области (если дан или был получен ударный спектр), а также производить расчеты на сейсмостойкость.
Расчет случайных колебаний (Random Vibration) в ANSYS Mechanical реализует подходы статистической механики в рамках расчета методом конечных элементов. При его помощи можно получить отклик конструкции, соответствующий определенному уровню вероятности (например, 3 сигма) согласно нормальному распределению случайного процесса. Этим методом очень удобно пользоваться в расчете воздействия на конструкцию случайных нагрузок, например ветра или дорожного полотна (при известной спектральной плотности мощности).
Рисунок 3. Поле перемещений печатной платы находящейся внутри конструкции тренажера и подвергающейся случайному воздействию.
В итоге, просчитав все возможные режимы работы тренажера и влияние на него вибронагрузки, мы имеем возможность выбора наилучшего варианта конструкции. Расчет вибрационных нагрузок имеет большое значение при выборе проектного решения для элементов крепления короткофокусных проекторов и экрана. Важно не допустить изменения размера пикселя из-за смещения проектора относительно полотна, возникающего в ходе имитации режима полета и вибраций. В противном случае существует риск не пройти приемку и последующего простоя тренажера до устранения возникших отклонений.
Для расчета режимов работы механизма во временной области компания ANSYS предлагает сразу несколько передовых решений.
В общем случае такой расчет можно провести в ANSYS Mechanical (методика с названием Transient Structural), где определяется история развития НДС конструкции во времени с заданным шагом при помощи неявного интегрирования. Гибкая система настройки шага по времени позволяет разрешать ровно необходимое в задаче количество гармоник. Как раз этот подход удобно использовать при решении задачи удара, когда параметры ударного воздействия даны во временной области (величина и длительность импульса).
Для экономии вычислительных ресурсов ANSYS Mechanical позволяет проводить расчеты динамики механизмов с абсолютно жесткими звеньями при помощи отдельного подхода с названием Rigid Body Dynamics. Эта методика будет наиболее уместной при расчете желаемых траекторий движения звеньев системы и сил реакций в сочленениях при различных режимах работы. Также есть и подходы к совместной работе этого решения с вышеупомянутым Transient Structural для учета податливости и расчета НДС отдельных звеньев и подсистем.
Рисунок 4. Результат расчета динамики и прочности во временной области сборки механизма, состоящей из абсолютно жестких и деформируемых тел
Для решения задачи анализа поведения конструкции при многократных воздействиях (например, удар с определенным количеством повторений) как при имитации режимов посадки или нештатных ситуация при отработке навыков пилотирования воздушного судна компания ANSYS также предлагает несколько решений. ANSYS nCode DesignLife обладает наиболее обширным функционалом в этой сфере и позволяет даже очень сложные динамические процессы рассматривать как многократные.
Рисунок 5. Расчет усталостного повреждения звена механизма в ANSYS nCode DesignLife
Кроме того, относительно недавно появилось новое решение, специально разработанное для расчета динамики механизмов – ANSYS Motion. Это весьма универсальный инструмент, обладающий своим подходом к анализу и свободных и вынужденных колебаний, расчетам динамической прочности и даже усталостной долговечности, но в первую очередь зарекомендовавший себя динамическими расчетами механизмов во временной области. Данный продукт лучше всего подойдет для анализа движений механизма на разных режимах работы, а также моделирования систем подвески и передач.
Рисунок 7. Расчет движения гусеничной машины в ANSYS Motion
Кроме того, в арсенале ANSYS есть также несколько продуктов, основанных на явном интегрировании по времени и потому идеально подходящих для моделирования катастрофических ситуаций. Решение ANSYS AUTODYN широко распространено в оборонной промышленности, а ANSYS LS-DYNA является наиболее востребованным и распространенным инструментом в сфере моделирования краш-тестов.
Таким образом, при помощи продуктов компании ANSYS в области расчетов динамики и прочности можно найти подход практически к любой задаче как статического, так и динамического воздействия.
О возможностях ANSYS применительно к решению конкретных задач анализа конструкции авиационного тренажера будет рассказано на ХIII-ой Международной конференции «Авиационные, транспортные, специальные тренажеры и учебные центры России – 2021»
Источник: Пресс служба ГК ПЛМ УРАЛ
