Por que o Simcenter Nastran é usado para modelar fuselagens
As estruturas da fuselagem devem passar por um rigoroso processo de avaliação para se tornarem certificadas para voo. O software de elementos finitos é uma ferramenta crítica usada no processo, pois permite a simulação da fuselagem para prever estresse e deflexões para muitas condições de voo.
Métodos de elementos finitos lineares são mais tipicamente empregados por causa de sua eficiência de computação para um grande número de casos de carga. Sob comportamento linear, estruturas têm a mesma rigidez independente de como são carregadas. Esta é uma suposição geralmente válida, no entanto, em fuselagens com revestimento fina, a suposição de comportamento linear pode não ser válida.
Quando a carga na fuselagem muda
A estrutura da fuselagem não apenas fornece a superfície de sustentação, mas também complementa a capacidade de carga das longarinas, nervuras e reforços. A fuselagem carrega principalmente cargas de membrana e cisalhamento. Quando a fuselagem está em uma condição de carga de tensão, ela pode carregar cargas de membrana e cisalhamento. Mas se em compressão, dependendo da estrutura, ela pode encurvar localmente. Em tais casos, ela não pode mais carregar cargas de membrana, mas ainda pode carregar cargas de cisalhamento.
Métodos de modelagem existentes
No passado, analistas de fuselagem modelavam esse comportamento usando técnicas manuais. Eles começam com um modelo base que usa elementos de shell padrão para modelar a fuselagem. No Simcenter Nastran, elementos de shell são modelados com elementos CQUAD4 com a propriedade física PSHELL. Este tipo de elemento tem rigidez de membrana e de cisalhamento.
Em seguida, os analistas realizam uma análise de cargas para localizar áreas onde os elementos de casca estão em compressão. Nas áreas onde o nível de compressão é significativo o suficiente, o analista criaria um novo modelo substituindo os elementos de casca comprimidos por elementos que carregam apenas uma carga de cisalhamento. No Simcenter Nastran, este é o elemento CSHEAR com a propriedade PSHEAR.
Como pode ser imaginado, esse é um esforço tedioso e requer a criação de vários modelos correspondentes a várias condições de carga. Além disso, torna-se difícil gerenciar os modelos, o que torna a certificação mais desafiadora.
O novo método de modelagem
Um aprimoramento recente foi feito no Simcenter Nastran Multistep Nonlinear (SOL 401) para simplificar o fluxo de trabalho para este caso de uso. Uma nova formulação de elemento foi adicionada, alterando as características de rigidez do elemento de casca com base em se ele está em tensão ou compressão. Assim, apenas um modelo é necessário para todas as várias condições de carga.
No novo fluxo de trabalho, os usuários usam novamente um modelo base com elementos de casca. Mas os elementos de casca fazem referência a um novo tipo de propriedade física chamado painel de casca/cisalhamento usando a propriedade física PSHLPNL. O novo tipo de propriedade tem definições para propriedades de rigidez de membrana e de cisalhamento. Essa nova formulação é às vezes chamada de elemento quad somente de tensão porque não carrega cargas compressivas.
Como funciona a nova solução
O Simcenter Nastran Multistep Nonlinear (SOL 401), como o nome indica, é um solver não linear e itera na rigidez até que as forças residuais sejam eliminadas. Inicialmente, a solução começa com os elementos do painel de casca/cisalhamento com comportamento de rigidez de casca. Durante o processo de iteração, o solucionador verificará as cargas internas nos elementos do painel de casca/cisalhamento e aqueles que têm compressão são convertidos para a formulação de cisalhamento puro.
Soluções convergentes são tipicamente alcançadas dentro de algumas iterações, então os tempos de solução não demoram muito mais do que uma solução linear. Além disso, os usuários podem resolver muitas condições de carga em apenas uma solução.
A configuração
Os usuários têm várias configurações a considerar ao definir as propriedades do elemento shell/shear panel. As propriedades para o comportamento shell e shear são as mesmas dos elementos shell e shear padrão. Enquanto as novas configurações controlam a conversão de shell para shear. Há duas configurações principais a esse respeito:
Direção de estresse para conversão
Nível de estresse para conversão
Para o painel de casca/cisalhamento, o usuário precisa definir a direção da tensão que será usada para determinar se o elemento está em tração ou compressão. As opções incluem a direção X ou Y do elemento, a direção X ou Y do material ou a direção da tensão principal mínima. O software calculará a tensão normal nessa direção definida e será então comparado ao nível de tensão de conversão definido pelo usuário. O nível de conversão padrão é 0.0, mas geralmente é aconselhável usar um pequeno nível de tensão negativo.
Figura 1: Exemplo de modelo de asa
A Figura 1 mostra um exemplo de estrutura de asa que está usando os novos elementos de painel de casco/cisalhamento mostrados como elementos azuis mais escuros. A espessura da fuselagem nessas áreas varia de 1,2 mm a 2,0 mm. A direção do estresse alinhada com a orientação da longarina é usada para o componente de estresse para determinar o comportamento de conversão. Uma coordenada de material foi aplicada a esses elementos para definir a direção desejada.
Figura 2: Sistema de coordenadas de materiais para avaliação de tensões, usado na conversão de rigidez
A Figura 2 mostra o sistema de coordenadas de material atribuído aos elementos do painel de casca/cisalhamento. As setas estão mostrando a direção X do sistema de coordenadas de material, que é a direção escolhida para a avaliação de tensão. O nível de tensão para conversão foi definido como -6 MPa para a seção de revestimento mais fino e -10 MPa para a seção mais espessa.
Para a análise, a asa é fixada onde ela se prenderia à fuselagem. Um conjunto de cinco cargas de força foi aplicado ao longo da envergadura correspondendo a várias condições de voo.
Resultados
A Figura 3 mostra a deflexão (em unidades de mm) de dois dos casos de carga. O caso 3, à esquerda, mostra uma deflexão para baixo, e o caso 4, à direita, mostra uma deflexão para cima.
Figura 3: Deflexão sob caso de carga 3 (esquerda) e 4 (direita)
Um dos novos resultados com os elementos do painel shell/shear é um valor de status. Um valor de 0,0 indica que o elemento não foi convertido para comportamento de cisalhamento e um valor de 1,0 indica que ele foi convertido. Note-se que cada caso de carga é resolvido independentemente e começa a partir de uma condição não convertida.
Figura 4: Status Quad somente de tensão para o caso de carga 3 (esquerda) e caso de carga 4 (direita), carga ascendente nas vistas superiores e carga descendente nas vistas inferiores.
No Caso de carga 3, onde a asa desvia para baixo, os elementos de fuselagem na parte inferior da asa estão em compressão e, portanto, podem ser vistos como tendo sido convertidos. No Caso de carga 4, onde a asa desvia para cima, ocorre o oposto e os elementos de fuselagem na parte superior da asa estão em compressão e são convertidos.
Os resultados de tensão nos elementos do painel de casca/cisalhamento também podem ser exibidos. A Figura 5 mostra a tensão normal no sistema de coordenadas X do material. Para elementos que foram convertidos, não há mais tensão normal e, subsequentemente, não há resultados nesses elementos. Para os elementos não convertidos, as tensões normais são vistas em tensão.
Figura 5: Tensão normal XX para os casos de carga 3 (esquerda) e 4 (direita)
As Figuras 6 e 7 mostram as tensões de cisalhamento para os mesmos casos de carga. Os contornos na Figura 6 mostram as tensões de cisalhamento nos elementos de casco/painel de cisalhamento convertidos. Novamente, para o caso de carga 3, os contornos estão apenas no lado inferior da asa onde a conversão ocorreu, e para o caso de carga 4, os contornos estão no lado superior da asa.
Figura 6: Tensão de cisalhamento XY para o caso de carga 3 (à esquerda) e 4 (à direita) na parte superior dos painéis de casca/cisalhamento convertidos
Os contornos na Figura 7 mostram as tensões de cisalhamento em todos os elementos não convertidos e nos elementos de casca padrão.
Figura 7: Tensão de cisalhamento XY para o caso de carga 3 (esquerda) e caso 4 (direita) nos painéis de casca/cisalhamento não convertidos e nos elementos de casca padrão.
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