基于ANSYS的无人机复合材料机身模具设计

1 前言

    无人机机身多数是由复合材料结构组成，其形状及表面光洁度直接关系到无人机气动性能。因此，机身一般要通过模具固化成型，提高表面质量和保证气动外形。某亚音速无人机机身通过模具固化而成，在低M数下，机身阻力的主要部分是由摩擦阻力组成，因此，模具模腔表面质量好坏直接关系到机身气动性能的好坏。本文基于ANSYS和NX的协同设计与仿真技术，综合运用这两种软件的优点，充分发挥ANSYS分析功能好和NX造型功能强的特点，达到设计、仿真分析和试验的协同和管理，完成CAD和CAE软硬件及数据资源的整合，实现了某无人机的机体模具的模具造型、分析的协同，有效提高设计效率和分析质量。

    由于ANSYS是一款具有多物理场功能的CAE分析软件，具有与所有流行CAD软件的双向接口，能实现和CAD软件之间完全无缝连接。尽管Unigraphics NX是一个全三维、双精度的造型系统。它具有便捷的复杂曲面设计功能，几乎能够精确地描述任何几何形体，尤其适合对复杂模具的设计。虽然NX也具有一些有限元分析功能，但其真正的特点是三维造型，多物理场分析功能还不是很强。另一方面，ANSYS也带有自建模功能，但是这个建模功能不是很强，只能处里一些相对简单的模型；而WORKBENCH是ANSYS的一个成熟的多物理场协同CAE仿真平台，用户在安装了ANSYS WORKBENCH后，就能在Unigraphics NX界面上看到ANSYS软件插件DesignSpace，从而可以直接把NX模型直接转化为ANSYS分析模型。这种机制，使得CAD模型和CAE双向驱动，可以做到在NX里面进行设计造型，在ANSYS软件里面进行有限元分析。

2 模具分析

    2.1 基于NX的机身模具方案设计

    根据无人机总体尺寸及气动要求，在NX2软件中设计其机身模具。由于机身是飞机阻力的主要来源，机身气动外形要满足气动要求。机身是由模具固化生产，模腔表面光洁度要求较高，并且整个模具要有一定的刚度。在设计时，不仅要考虑模具的分型面等工艺因素，还要考虑模腔表面质量、生产效率等要求。基于此，可以充分运用NX2软件强大的曲面造型、特征造型技术，实现机身模具的参数化及复合建模。

    以机身中段为分析对象，设计了两种方案：方案一机身模具高大约为180mm，方案二机身模具高大约为370mm。模具高度的不同是通过增加肋板等来达到，其它情况一致。因此，可以利用NX的特征造型功能，如用不同高度的长方体来作为两种方案的模具的基体，再把基体减去上面应用自有曲面造型生成的机身外形实体，就生成了模具腔体，选择NX2命令为“Insert→Feature Operation→Subtract”。

    另一方面，由于NX2 的基于特征的造型功能如扫描特征何成形特征，机身模具肋板、减轻孔、减轻槽及加强筋等特征可以方便的建立。而且基于NX2软件的参考特征及特征操作功能，对于模具的细节，如倒角等等，都可以很准确建立。模具三维模型分别如图1和图2所示。

    基于NX2的机身模具三维参数化设计，可以实时、并行地修改设计方案。在模具方案优选过程中，通过二维图纸的修改，如修改截面线，从而使模腔形状更好地符合机身气动要求。

    图1 方案1机身模具

    图2 方案2机身模具

2.2 基于ANSYS的机身模具分析

    2.2.1 模具加热数学模型

    机身是固化成型，通过模具在加热炉内加热，属非稳态传热，涉及到传导、对流和辐射。在本分析中，以模具为对象可建立模具加热数学模型。

    控制方程：

    初始条件：

    边界条件：模具在加热炉内加热，一方面与炉气、炉墙之间发生热辐射；另一方面，与炉气发生热对流，在本分析中对流是主要矛盾。综合考虑模具受热情况，有：

    式中：ρ 、c_p、K——分别为模具的密度、比热和导热系数；这些物理参数都与温度有关；T ——模具的瞬态温度；α_∑——为综合换热系数，包括对流和辐射；T_g——炉气温度；T_s——模具表面温度；t——加热时间。

    2.2.2 机身模具多物理场分析

    通过参数驱动，把NX中模具三维图转化为ANSYS分析模型，直接划分网格，形成有限元模型，分别如图3和图4所示。

    图3 方案1有限元模型

    图4 方案2有限元模型

    在热分析，考虑模具本身重力及抽真空时对模腔压力作用，抽真空为-0.09MPa，标准大气压为0.101325MPa，所以作用到模腔的压力为0.011325MPa；机身固化成型时，模具是放在特制小车上，因此在计算时，约束模型底部同小车接触的面积Z方向自由度，其它几个方向无约束；考虑模具在加热炉中主要是由热对流加热（不考虑辐射加热），并保温，所以模具的热载荷为130℃ 。施加重力、温度载荷，依据图3和图4有限元模型，利用ANSYS的多物理场分析功能。分析的应力及变形分别如图5～图8所示。

    图5 方案1应力云图

    图6 方案2应力云图

从图5和图6应力云图可以看出：

    1）方案-的应力变化范围为0.001～0.728MPa；方案二的应力变化范围为0.001～0.908MPa，但最大应力出现是在肋板处。

    2）方案-在模腔中的最大应力接近0.5MPa，而方案二中模腔最大应力为0.27MPa，不到0.3MPa。

    对比两种方案，虽然方案二应力变化范围较方案一大，但最大值不是出现在模腔内；而且在机身型腔中，方案二的应力变化较小，应力变化较平缓，对成型机身表面质量影响较小，所以从应力这方面衡量，方案二较好。

    从图7和图8看出，方案一变形范围为0.004～1.423mm，最大变形为1.423mm；方案二的变形范围为0.000～1.475mm，最大变形为1.475mm。方案二变形较大，两种方案最大变形相差0.052mm。

    图7 方案1变形云图

    图8 方案2变形云图

    2.3 模具加热快慢分析

    表1 两方案模具特性

    假设模具在加热炉中传热条件相似，由于方案二中模具质量较方案一大，因此，加热模具到130℃，方案二需要时间较长，比例大概为（方案二：方案一）1.69；另一方面，模具吸热同热源接触面积的大小有关，方案二又较方案一好，有效吸热面积比为（方案二：方案一）1.54。综合考虑两个方案中模具吸热及热传导面积、加热炉中对流系数等因素，模具加热到130℃，方案二要比方案一慢10％左右。

3 结论

    基于ANSYS软件的多物理场耦合分析特点和NX软件强大的模具设计功能，设计、分析了某无人机复合材料机身模具。在此过程中，充分利用NX的强大的自由曲面造型和特征造型功能，方便、准确地建立了无人机表面质量要求较高的机身模具；另一方面，基于ANSYS的多物理场耦合分析特点，考虑了机身模具在固化过程中重力场、温度场及抽真空产生的压力耦合作用，分析了机身模具的设计方案。

    从热应力、变形等方面考虑，方案二比方案一要好；但从重量、加热快慢来说，方案一要好。通过ANSYS和NX的协同仿真技术，能充分考虑生产过程中模具实际受载状况。而且，这种协同设计方式和流程能使设计模型和分析模型实现双向参数驱动，减少数据的丢失与损耗，从而能提高设计效率及设计准确性。应用该模具生产的无人机机身满足设计及气动要求，表明以ANSYS和NX为核心的完整的无人机设计与仿真的协同是可行的，也为其它行业提供借鉴。