Analiza wytrzymałościowa skrzydła szybowca wykonanego z kompozytu z uwzględnieniem obciążeń aerodynamicznych
Szybowiec, tak samo jak samolot, utrzymuje się w powietrzu dzięki sile nośnej. Jednakże w przeciwieństwie do samolotu nie posiada on napędu. W przypadku projektowania szybowców, bardzo ważnym aspektem jest otrzymanie doskonałości aerodynamicznej oraz ultralekkiej konstrukcji wykonanej z kompozytów. Poniżej przedstawiona została analiza wytrzymałościowa skrzydła szybowca wykonanego z kompozytu, z uwzględnieniem rzeczywistych obciążeń aerodynamicznych.
Analiza wytrzymałościowa skrzydła szybowca: analiza przepływu CFD
Pierwszym krokiem przed wykonaniem obliczeń wytrzymałościowych w środowisku Simcenter 3D było przeprowadzenie analiz przepływowych CFD skrzydła szybowca. Do tego celu wykorzystano środowisko Simcenter FLOEFD. Środowisko to jest przeznaczone dla konstruktorów, którzy chcą w szybki i wydajny sposób przeprowadzić obliczenia przepływowe. Pozwala ono na przeprowadzenie obliczeń CFD przez konstruktorów nie posiadających dużego doświadczenia w analizach przepływowych. Simcenter FLOEFD posiada wbudowany kreator obliczeń, który kieruje nas krok po kroku przez cały proces symulacji. Dodatkowo, posiada specjalizowane narzędzia np. do analiz aerodynamicznych skrzydeł i profili. Model analizowanego skrzydła szybowca z uwzględnieniem zewnętrznej domeny przepływu, która jest tworzona automatycznie, przedstawia rys.1. Dodatkowo uwzględniono w analizie przepływowej skrzydła – warunek symetrii. Model obliczeniowy był przeprowadzony w skali 1:3.
Rys. 1. Model skrzydła i wirtualnego tunelu dla analizy CFD w środowisku Simcetner FLOEFD
Siatka obliczeniowa
Największym atutem środowiska Simcenter FLOEFD jest siatka obliczeniowa. Budowa siatki oparta jest o elementy prostokątne (kartezjańskie). W pobliżu granic warstwa przyścienna wykonana jest z elementów wielościennych (polihedralne). Środowisko Simcenter FLOEFD wykrywa samoczynnie dla analiz zewnętrznych obiekt skrzydła i automatycznie dopasowuje oraz podpowiada pierwszą estymację siatki obliczeniowej (rys.2). Na rys. 2 widać, że zostają spełnione pewne kryteria co do podejścia w procesie tworzenia siatki dla analiz aerodynamicznych profili lotniczych czy skrzydeł.
Rys. 2. Wstępna, zautomatyzowana siatka obliczeniowa dla modelu skrzydła i wirtualnego tunelu w środowisku Simcenter FLOEFD
Po wprowadzeniu pewnych modyfikacji i zagęszczeń lokalnych siatki obliczeniowej, jej końcowy efekt przedstawia rys. 3. Przedstawiona siatka dodatkowo została ulepszona o proces adaptacyjny i automatycznego zagęszczenia jej w miejscach zmiany gradientów ciśnień i powstawania wysokich prędkości. Dzięki temu procesowi otrzymamy lepszą dokładność parametrów siły nośnej i oporu powstającego na skrzydle. Końcowa ilość elementów siatki obliczeniowej zawierała 2 miliony elementów.
Rys. 3. Siatka obliczeniowa dla modelu skrzydła i wirtualnego tunelu w środowisku Simcenter FLOEFD po procesie adaptacji (udoskonalenia) dla kąta natarcia 20 stopni
Obliczenia
Obliczenia wykonano dla liczby Macha wynoszącej 0,285 oraz kąta natarcia wynoszącego 20 stopni. Rozkład prędkości i ciśnień dla takich warunków brzegowych przedstawiają rys. 4 i 5.
Rys 4. Rozkład relatywnego ciśnienia na skorupie skrzydła szybowca
Rys 5. Rozkład konturów prędkości dla skrzydła szybowca
Dzięki integracji środowisk obliczeniowych Simcenter FLOEFD oraz Simcenter 3D można przenieść dane dotyczące rozkładu ciśnienia na skrzydle do obliczeń wytrzymałościowych. Rozkład zmapowanego ciśnienia przeniesionego do Simcenter 3D przedstawia rys. 6.
Rys 6. Zmapowane (przeniesione ciśnienie) uwzględnione dla analiz wytrzymałościowych)
W dobie nowoczesnych technologii dążenia do konstrukcji i zastosowanie ultra lekkich kompozytów stało się powszechnym faktem. Aktualna dostępność materiałów kompozytowych pozwala na dużą elastyczność podczas projektowania statków powietrznych. Uproszczony przygotowany model skrzydła szybowca z uwzględnieniem kompozytów zawierał 4 warstwy wykonane z tkaniny węglowej i warstwy z „plastrem miodu”. Specjalizowany moduł przeznaczony do modelowania kompozytów pozwolił na przygotowanie kolejnych warstw kompozytu wraz ze zdefiniowaniem ich grubości oraz kierunkowości. Graficzne przedstawienie utworzonych warstw przedstawia rys 7. Siatka obliczeniowa modelu pod kątem analiz wytrzymałościowych zbudowano z elementów powłokowych (rys. 8).
Rys 7. Warstwy kompozytu użyte do pokrycia skrzydła szybowca
Rys 8. Siatka obliczeniowa skrzydła szybowca wykonana z elementów powłokowych
Podobnie używając siatki 2D (Shell) zamodelowano pozostałe elementy skrzydła, jak żebra i dźwigar, przedstawione na rys. 8 kolorem niebieskim i fioletowym.
Wyniki obliczeń analizy wytrzymałościowej z uwzględnieniem przemieszczenia oraz maksymalne naprężania główne dla wybranej warstwy przedstawiamy na rys. 9.
Rys 9. Przemieszczenia oraz naprężenia maksymalne główne dla warstwy 4 przedstawione w formie tensorów.
Dzięki integracji środowisk obliczeniowych, takich jak Simcenter 3D i Simcenter FLOEFD, możliwe jest przeprowadzania analiz multidyscyplinarnych w obrębie jednego środowiska NX. Przeprowadzone powyżej obliczenia pozwalają na optymalizację geometrii skrzydła pod kątem doskonałości aerodynamicznej. Obliczenia wytrzymałościowe umożliwiają dobór odpowiedniej liczby warstw kompozytów oraz optymalny dobór ich kierunkowości tak, aby spełnić odpowiednie wymogi dotyczące przenoszonych obciążeń.
Opracował: Marek Rudy