有限元分析（FEA）在航空航天领域是设计、验证和优化的关键技术，覆盖从飞行器整体性能到关键部件细节的全流程开发。以下是其核心应用及典型案例：
1. 飞机结构与轻量化设计（如图1）
应用场景：机身刚度分析、复合材料替代（如铝合金→碳纤维增强复合材料）、拓扑优化（减重同时满足气动弹性稳定性）。
关键指标：
机身弯曲刚度（目标通常＞50 kN·m/°）
机翼一阶颤振频率（避免与气动激励共振，如商用飞机＞15 Hz）
2. 气动性能与流体-结构耦合（如图2）
应用场景：超音速气动外形优化、机翼颤振抑制、高马赫数下的热防护分析。
关键指标：
升阻比（目标＞10，取决于飞行阶段）
表面温度梯度（如高超音速飞行器前缘＜1500°C）
工具链：ANSYS Fluent、STAR-CCM+耦合FEA分析柔性翼面变形。
3. 推进系统热力学分析（如图3）
应用场景：涡轮叶片冷却通道优化、燃烧室热应力分析、喷管膨胀效率仿真。
关键指标：
涡轮叶片表面温度（镍基合金耐温极限＜1200°C）
燃烧室压力波动（目标＜5%额定值）
法规要求：满足FAA 33部发动机适航认证。
4. 航天器结构与发射载荷分析（如图4）
应用场景：火箭级间分离动力学、卫星支架振动疲劳、再入舱热-力耦合仿真。
关键指标：
发射阶段最大过载（通常＜10g）
热防护层烧蚀厚度（如返回舱＜30mm）
方法：瞬态动力学分析与热传递联合仿真。
5. 复合材料结构损伤容限（如图5）
应用场景：层压板分层预测、蜂窝夹层结构冲击损伤评估、修复方案验证。
关键指标：
冲击后压缩强度（CAI＞200 MPa）
裂纹扩展速率（Paris公式参数拟合）
6. 疲劳与寿命预测（如图6）
应用场景：起落架疲劳寿命评估、机身蒙皮循环载荷分析、发动机主轴裂纹萌生预测。
载荷输入：基于飞行任务剖面（如A380典型任务循环）。
工具：nCode、FE-SAFE结合雨流计数法。
典型软件工具
结构动力学：NASTRAN、ABAQUS
多物理场仿真：ANSYS Mechanical、COMSOL Multiphysics
气动与热分析：STAR-CCM+、CFX
优化设计：Altair OptiStruct、HEEDS
图1 机翼拓扑优化与复合材料铺层设计
图2 高超声速飞行器气动加热云图
图3 涡轮叶片冷却通道温度分布
图4 飞机飞行过程中应力分析
图5 复合材料层压板冲击损伤模拟
图6 起落架疲劳裂纹扩展预测
