機翼壁板參數化有限元模型屬性更新研究

吳 強 魏騰飛

?

機翼壁板參數化有限元模型屬性更新研究

吳 強 魏騰飛

本文提出了一種機翼壁板的參數表述和有限元模型屬性快速更新方法。該方法將機翼壁板的幾何特征表征為依附于長桁與肋交點處的若干參數，使有限元模型的設計輸入由具體數模轉變為參數表單。通過EXCEL將有限元模型屬性及NASTRAN卡片表述為這些參數的函數，利用EXCEL表實時更新的特性，實現參數表與有限元模型的同步更新。相比于傳統的機翼有限元模型更新方式，該方法不需要具體的結構數模，也省去了截面剖切的過程，能夠實現有限元模型的快速更新。

有限元內力計算模型是飛機設計中獲取結構內力分配的工具。通常進行外翼盒段有限元建模時，需要等結構數模完備后，剖切模型、測量截面信息、通過PATRAN等有限元前處理工具或者更改NASTRAN數據卡片等方式逐個單元的更新有限元單元屬性。由于大型飛機外翼盒段壁板多采用連續變厚度曲面設計，不同站位處的蒙皮厚度和長桁截面均不相同，模型中通常會有數百個以上的屬性卡片，采用上述方法建模及更新模型時費時費力。有資料表明，有限元建模在整個有限元分析工作量中占70%～80%左右。

機翼壁板設計要同時滿足靜力、疲勞、顫振、靜氣彈、工藝、重量等多學科約束條件，其設計過程往往需要十數輪的多專業協同迭代、并行工作，而有限元模型是靜力、疲勞、顫振、靜氣彈等學科設計的基礎，需要在每一輪迭代中對其單元屬性進行更新。能否在每一輪設計迭代中對有限元模型進行快速更新是能否加快外翼盒段研制過程的關鍵之一。現有方法需要在結構數模完備后工作，不能滿足各專業并行工作的需求；數模截面剖切、測量及有限元屬性更新需要大量的人力和時間，并不能滿足有限元模型快速更新的需求。

目前，關于機翼結構的參數化有限元建模的相關研究的公開資料并不多見。羅明強等人研究了機翼結構的參數設計和CAD實現，但并不涉及有限元建模；朱永洲等人研究了基于CATIA的CAD與CAE系統的數據傳遞的參數化實現，但該研究依然基于已有結構數模基礎上的有限元建模和屬性更新，無法實現上述各專業并行工作的需求。

本文定位于機翼結構的初步設計階段和詳細設計初期，建立一種滿足各專業并行工作的外翼盒段有限元模型快速更新方法，從而克服現有方法的不足，充分滿足機翼壁板設計快速迭代的要求。

本文通過將機翼的幾何特征以參數化方法表征為數據表單形式，使得有限元模型的設計輸入由具體數模轉變為參數表單，也使得各專業協同設計階段的外翼盒段的設計對象由具體數模轉變為參數化表單。通過EXCEL將有限元模型屬性及NASTRAN卡片表述為這些參數的函數，利用EXCEL表單實時更新的特性，實現參數表與有限元模型的同步更新。其建模流程如圖1所示。

機翼壁板幾何特征的參數化表述

圖1　機翼壁板參數化建模流程

機翼盒段結構由翼肋、前后梁和上下壁板組成，壁板又由長桁和蒙皮構成，如圖2所示。機翼壁板幾何特征由外形特征和截面尺寸特征組成。將機翼壁板的外形參數以展向元件（長桁、梁等）與弦向元件（肋）的交點（特征節點）坐標的形式表述，將機翼壁板的截面幾何參數表述為特征節點處的蒙皮厚度、縱向元件幾何尺寸。通過這些方式，可以將外翼盒段的幾何特征表述為EXCEL參數化表單。

圖2　機翼盒段結構示意圖

圖3　機翼壁板截面幾何參數

以“T”字型長桁為例，特征點處典型的壁板截面幾何參數如圖3所示，由蒙皮厚度和長桁的高度、腹板厚度、緣條寬度和緣條厚度等形狀參數組成。

綜上所述，每個特征點處的幾何特征參數可以用表1表示，表示壁板上序號為i的特征點，其坐標為（xi，yi，zi），該點處的蒙皮厚度為ei，長桁高度為ai，長桁緣條寬度為bi，緣條厚度為ci，腹板厚度為di。

表1　每個特征點處的幾何特征參數

有限元模型屬性更新

特征節點處的有限元特性

在機翼的內力計算模型中，將有限元節點建在特征點處，蒙皮由偏置殼元模擬，長桁用偏置梁元模擬。蒙皮和長桁單元法向均以垂直于外形面向外為正。與有限元模型相關的特征點處的蒙皮參數有蒙皮厚度、蒙皮偏置量（中面距外形面距離，即厚度的一半）；長桁參數有長桁面積、長桁偏置量（長桁形心與外形面的距離）和長桁繞水平軸的慣性矩。蒙皮相關參數可由表1得到，長桁相關參數則可通過公式（1）～（3）計算得到。其中，Asti是第i個點處的長桁面積，Zsti是第i個點處的長桁偏置量，Isti是第i個點處的長桁慣性矩。這樣，特征節點處的有限元特性可以表述為表2形式：

表22　每個特征點處的有限元特性

有限元單元屬性

每個蒙皮單元有3個（CTRIA3單元）或者4個節點（CQUAD4單元），蒙皮單元的厚度和偏置量取各個節點處的平均值。每個長桁單元有2個節點（CBAR），長桁的面積和慣性矩取2個節點處的平均值，偏置量取各自節點處的值。

創建有限元單元屬性的關鍵是將每個單元與其節點處的有限元特性相關聯。本文通過使用EXCEL中的INDEX函數和MATCH函數實現單元各節點處的有限元特性的查找和關聯。通過MATCH函數查找單元中的節點在表2中的行序列號，通過INDEX函數查找該行中的各有限元屬性。

NASTRAN卡片輸出

通過EXCEL中的FIXED函數使每個表格中的數位位數固定。利用EXCEL VBA的“print”命令將各表單中更新的有限元屬性信息和有限元節點信息、網格信息以及材料信息輸出成NASTRAN有限元模型卡片格式。

結語

本文提出了一種機翼壁板的參數表述和有限元模型屬性快速更新方法。該方法不需要具體的結構數模，也省去了截面剖切的過程，能夠實現有限元模型的快速生成，加快了設計流程，也能滿足有限元模型隨結構設計同步更新的要求。

吳 強 魏騰飛

中國商飛上海飛機設計研究院

吳強（1987-）男，碩士，工程師。主要研究方向：有限元，靜強度。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.009