朱永洲;席平;唐家鹏;张泽峰两少一宽
【摘 要】为提高飞机机翼结构初步设计阶段有限元建模的质量和效率,提出了机翼结构有限元参数化建模方法.采用模板技术将机翼结构几何建模过程中的方法、规则和专家经验等知识进行封装,在CATIA建模平台上通过Visual Basic开发了知识驱动的机翼结构几何参数化建模系统.研究了CAD与CAE系统之间的数据传递手段,读取上游模型信息,完成了几何模型的重构.基于PATRAN二次开发语言PCL进行了有限元网格自动剖分,快速生成了有限元模型,并实现了CAD模型向CAE模型转换的无缝集成.中华家教
【期刊名称】《航空制造技术》
【年(卷),期】2015(000)019
【总页数】5页(P47-51)
【关键词】机翼结构;有限元模型;参数化建模;初步设计
【作 者】朱永洲;席平;唐家鹏;张泽峰
【作者单位】北京航空航天大学机械工程及自动化学院;北京航空航天大学机械工程及自动化学院;北京航空航天大学机械工程及自动化学院;中航工业沈阳飞机工业(集团)有限公司
【正文语种】中 文
有限元建模是有限元分析所必需的数据前处理过程，也是有限元方法在实际运用中的主要困难。经验表明，有限元建模在整个有限元分析工作量中占70%～80%左右[1]，同时，有限元建模过程是一个不断迭代的动态过程，每一次迭代都需要进行新一轮的结构调整和有限元模型的重新生成，手动建模通常费时费力，而参数化建模是有限元模型快速、准确、高质量进行的有效手段。
在航空领域，普遍采用CATIA软件进行几何造型[2]，但在基于Windows平台的V5版本中，其有限元分析模块还不完善。另一方面，由于CAE前处理软件PATRAN几何建模能力较弱的局限性，很难在PATRAN内实现机翼结构几何建模的功能，所以对于机翼结构，基于CATIA几何建模、MSC. PATRAN/NASTRAN进行有限元分析的方法具有很强的实际意义。
此外，CAE与CAD是密不可分的，相互独立的CAE和CAD系统势必造成设计资源和信息的重复浪费与不一致性，严重影响整个设计过程的效率[3]，为此，需解决CAD与CAE之间的数据通信以实现CAD/CAE的集成。
本文定位于飞机结构初步设计阶段，旨在构建知识驱动的飞机机翼结构有限元快速建模系统。首先将机翼结构几何建模过程中的方法、规则和专家经验等知识进行封装，采用模板参数化技术在CATIA平台上实现机翼结构骨架模型的快速生成，并进一步分割离散生成适于有限元网格剖分的几何网格模型。研究CAD与CAE系统之间的数据通信方式，利用PATRAN的PCL语言，实现了机翼有限元模型网格的自动剖分系统的设计。本文实现的有限元建模过程如图1所示。
图1 机翼结构有限元建模Fig.1 Finite Element Modeling
1 几何模型参数化建模
目前，机翼结构几何模型的生成通常由设计人员手动交互实现，其质量和结果严重依赖设计人员的技术水平和经验，同时设计过程中缺乏有效的数字化手段对设计知识和经验进行
积累。实际上，可以采用知识驱动的模板参数化技术，将结构工程师在设计过程中的设计方法、定义规则和经验等知识通过归纳封装在一个模板中[4]，以机翼的外形曲面为输入，拾取上游参考元素，给定机翼结构受力构件的位置参数和布置方式，后台程序驱动CATIA快速完成结构几何模型的生成。
朱生豪1.1 骨架模型
机翼结构的设计要求基于机翼结构的弦平面，在机翼外形给定的条件下进行梁、肋和长桁构件的布局。骨架模型包括了构件站位面、轴线及腹板面结构布置信息。机翼结构构件特征描述及骨架模型创建过程如下：
（1）翼梁贯穿机翼上下曲面，可描述为梁轴线、站位面和腹板面。
·梁轴线的起点和终点分别用该点占根弦和梢弦的百分比表示，其中梁分段面位置由机身对称面偏移得到，分段点位置由该点占梁分段处站位面和弦平面相交线的百分比确定，梁轴线由各点顺序连接而成；
·基于梁轴线和弦平面确定站位面；
窄播·通过站位面与上下翼面求交确定梁缘条，并分别填充前后梁的上下缘条之间区域生成梁的腹板面。
（2）翼肋也具有贯穿机翼上下曲面的性质，可描述为站位面、肋缘条和腹板面。
·翼肋以顺航向方式布置时，站位面位置以机身对称面为参考元素；以垂直梁方式布置时，以前梁或后梁轴线为参考元素确定站位面位置。肋的站位面与弦平面成一定角度，通常为90°。
·站位面与上下翼面求交确定肋缘条，填充肋上下缘条之间区域生成肋的腹板面。
（3）长桁是展向受力构件，依附于机翼的上下曲面，可描述为站位面和上下翼面长桁。
·长桁按比例方式布置时，基于长桁在弦平面上的投影和弦平面确定站位面；按平行某元素布置时，站位面以梁站位面或以长桁站位面为参考元素偏移得到。
·站位面与上翼面或者下翼面相交得到长桁；长桁起始位置均为根肋；按比例方式布置长桁终止于梢肋；按平行某元素布置长桁终止位置可以为某一肋站位面。
按照上述原则，针对飞机中典型的双梁式机翼结构，基于CATIA软件平台，采用VB编程语言，开发了机翼结构几何建模模板，如图2所示。通过该模板，能够实现骨架模型的快速建模，并在生成的骨架模型基础上，自动离散生成适于有限元网格剖分的几何网格模型。图3为采用模板生成的机翼盒段骨架模型，图中隐藏了机翼的上翼面。
1.2 几何网格模型快速生成
在初步设计阶段，为了实现快速迭代，对机翼结构进行静强度、刚度及稳定性分析时只需对机翼翼盒进行分析，一般以线、面、几何体来构建翼盒的几何模型，同时，为保证机翼结构有限元模型单元属性的准确加载和单元有限元网格剖分的质量，要求对模型进行离散，即在机翼结构构件梁、肋、长桁及蒙皮相交处断开。图4所示为机翼结构骨架模型离散后形成的几何网格模型单元。 图2 机翼结构几何模型模板Fig.2 Template of geometry model generation
图3 机翼盒段结构骨架模型Fig.3 Skeleton model of wingbox
在机翼盒段离散生成几何网格模型过程中，为便于查点和单元（杆单元、壳单元）输出
中性文件、在几何中对单元附加属性，对各单元进行编号[5]。中性文件包含单元的几何信息和有限元模型生成需要的单元属性，如杆单元的截面面积和壳单元的厚度等，是完成CAD向CAE集成的基础。机翼盒段几何网格模型中点和单元组成及编号定义如下：
（1）点。
翼梁缘条、长桁、翼肋缘条在翼面上的交点，可以起到使力互相传递的作用。以机翼上翼面为例，本文从前梁缘条开始，逐个完成展向缘条与所有弦向缘条相交关系的判定，将结果用一组保存在二维整型数组A（i，j）中的元素0或1反映，二维数组的元素为0表示不相交，1表示相交。该二维数组的下标i表示展向缘条的标号，沿翼剖面前缘到后缘依次为0，1，2，…，m，m大小由翼面长桁确定；下标j表示弦向缘条标号，沿机翼根部向梢部依次为0，1，2，…，l，l大小由翼肋数确定。对生成的点编号定义为：
图4 机翼盒段结构几何网格模型Fig.4 Geometric mesh model of Wingbox
其中，k表示蒙皮构件，t表示结构件在其所在类型内的序号（下同），对上蒙皮取1，下蒙皮取2。
（2）一维单元。
几何网格模型的一维杆单元包括: 翼梁缘条杆单元、长桁杆单元和翼肋缘条杆单元。
翼梁缘条杆单元编号定义为:
其中，h1表示翼梁构件，i、j的意义与上述不同，对前梁缘条杆单元i取1，后梁缘条杆单元i取2，j取肋站位面的编号；
长桁杆单元编号同翼梁缘条杆类似，不同在于此种情况下i取长桁站位面编号；
翼肋缘条杆单元编号定义为:
其中，h2表示翼肋构件，j取肋站位面的编号，m用于标识相同结构件上的不同单元。
（3）二维单元。
本文研究的机翼结构为双梁式布局，几何网格模型的二维壳单元分为以下3种：蒙皮壳单元、翼梁腹板壳单元、翼肋腹板壳单元。
蒙皮壳单元其编号定义为:
其中，i是蒙皮壳单元的主要标识符，蒙皮先沿展向从根肋到梢肋按肋站位面的位置分块，再分别用长桁站位面从翼盒的前缘到后缘对已分块的蒙皮再分割。
翼梁腹板壳单元编号定义为:
肝病专家咨询>性科学其中，i表示翼梁构件在机翼结构中的位置，同一维杆单元翼梁缘条杆中i意义相同； j取肋站位面的编号。
翼肋腹板壳单元编号定义为:
2 中性文件生成
PATRAN软件支持大多数的标准文件接口，在CATIA上建立的几何模型文件通过转换为IGES或STEP等文件能够直接导入到PATRAN中，但由于CAE、CAD软件开发思想和目的的不同，软件之间三维模型数据表达不尽相同，对模型的存储也采用不同的数据结构，造成不同系统间的数据不能准确地交换共享，或是在数据交换过程中产生信息丢失[6]。比如，
本文对CAD与CAE数据传递研究中发现，在机翼几何网格模型以IGES或MODEL格式导入PATRAN后，导入的模型有坏点、重复的面和线，且不易检查，严重地阻碍了数据从CAD到CAE的流动与共享。
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