斯圖加特阿卡弗利格是斯圖加特大學(xué)的一個學(xué)生組織。該組織的目標(biāo)是開發(fā)、建造和飛行獨(dú)特的飛機(jī)(滑翔機(jī))原型。該組織目前的目標(biāo)是建造一架滑翔機(jī)，試驗(yàn)一個電氣控制系統(tǒng)，fs36電傳操縱系統(tǒng)。

如何更安全是實(shí)現(xiàn)這個項(xiàng)目的動機(jī)。電傳滑翔機(jī)的發(fā)展可以通過安裝失速保護(hù)裝置，甚至是一個完整的包線保護(hù)系統(tǒng)來幫助防止危急情況的發(fā)生。此外，電傳操縱系統(tǒng)能夠提高飛行性能。用電致動器和電纜代替機(jī)械控制系統(tǒng)為滑翔機(jī)的靈活性提供了新的途徑。例如，在不需要設(shè)計復(fù)雜的機(jī)械混合器的情況下，有可能控制具有可變偏轉(zhuǎn)的大量副翼表面。此外，通過限制飛行包線或增加主動防顫振系統(tǒng)，有可能減輕結(jié)構(gòu)的重量。

fs36將由纖維復(fù)合材料制成。纖維復(fù)合材料由于其輕質(zhì)和各向異性的材料特性，主要用于現(xiàn)代滑翔機(jī)。這通常會導(dǎo)致復(fù)雜的形狀，而傳統(tǒng)的手工計算方法是有限的，只能進(jìn)行粗略的估計。因此，仿真是現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。如同達(dá)索系統(tǒng)公司慷慨地支持該組織使用他們的有限元模擬軟件Abaqus，組織成員有機(jī)會優(yōu)化新設(shè)計的飛機(jī)部件。這些優(yōu)化包括通過考慮零件重量而產(chǎn)生的載荷，因?yàn)樽罱K目標(biāo)是設(shè)計盡可能輕的結(jié)構(gòu)零件。飛機(jī)機(jī)翼承載結(jié)構(gòu)的工作流程如下所述。

為了定義初始結(jié)構(gòu)，使用傳統(tǒng)的手工計算方法來獲得結(jié)構(gòu)尺寸的概念。該CAD模型被簡化以適用于有限元分析。因此，小半徑和小曲面會被忽略，并且會盡可能簡化焊接幾何。隨后，將模型導(dǎo)入Abaqus，并將材料和元素類型分配給各個零件。Hashin失效準(zhǔn)則用于纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，鋪層表用于定義織物層數(shù)和織物層方向。由于各向同性的材料行為，不同部件之間的結(jié)合被定義為“固體均質(zhì)”。對于初始計算，接觸的機(jī)械條件用于整個模型，并且不詳細(xì)考慮部件之間的結(jié)合，以保持初始計算盡可能簡單。

由于模擬的質(zhì)量強(qiáng)烈依賴于網(wǎng)格質(zhì)量，因此離散化過程具有特殊的意義。因此，在預(yù)期張力值較高的區(qū)域，網(wǎng)格會被細(xì)化。在這些區(qū)域中，目標(biāo)是獲得精細(xì)且優(yōu)選未變形的網(wǎng)格。為了達(dá)到這些要求，有必要將組件分成更小的分區(qū)，以提高影響這些特殊區(qū)域的能力。纖維復(fù)合部件的壁厚在最薄的區(qū)域約為2mm。在這些區(qū)域，實(shí)現(xiàn)足夠精細(xì)的網(wǎng)格以避免可能導(dǎo)致錯誤模擬結(jié)果的高縱橫比是很重要的。最后，使用Abaqus網(wǎng)格質(zhì)量檢查來檢查網(wǎng)格質(zhì)量，并進(jìn)行必要的改進(jìn)。 

模擬的目標(biāo)是在正確的區(qū)域加固結(jié)構(gòu)，并在出現(xiàn)的載荷低于預(yù)期的區(qū)域節(jié)省材料。因此，實(shí)現(xiàn)了能夠滿足要求的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，重要的是要知道載荷峰值在結(jié)構(gòu)中的位置以及載荷路徑是什么樣的。該信息將通過有限元模擬獲得。

然而，需要執(zhí)行結(jié)構(gòu)測試來校準(zhǔn)模擬。在這些測試結(jié)果的幫助下，可以調(diào)整合同的材料參數(shù)和條件，以進(jìn)一步改進(jìn)模擬。另一個目標(biāo)是使用有限元方法進(jìn)行氣動彈性剪裁。因此，必須準(zhǔn)確地知道給定載荷下的變形。如果該模型非常可靠，則可以在給定載荷下優(yōu)化飛行器機(jī)翼的變形，以優(yōu)化機(jī)翼的升力分布，從而實(shí)現(xiàn)更好的空氣動力學(xué)性能。需要對飛機(jī)機(jī)翼進(jìn)行破壞試驗(yàn)，因?yàn)檫@是適航當(dāng)局批準(zhǔn)首次飛行的要求。因此，最終目標(biāo)是模擬這種結(jié)構(gòu)測試，以避免在這種測試中結(jié)構(gòu)的早期失效，從而節(jié)省金錢和時間。