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实现飞机机翼快速研制的有限元建模集成技术

摘要：基于MSC/PATRAN的开放平台，实现了飞机数字化设计过程中的CAD/CAE的紧密集成；利用MSC/PATRAN的CAD接口技术与PCL语言，开发了飞机机翼薄壁组合结构的FEA模型程序；它能针对飞机机翼结构的特征，快速配置并修改机翼部件的有限元模型。几种类型的翼面结构布置表明，它能有效地缩短机翼有限元建模周期，自动实现翼面结构节点的求值和单元数据的产生，使有限元模型在计算几何上更加精确于原数字化模型，实现了面向机翼快速研制集成的有限元数字化建模。

1 引言

在飞机设计制造过程中，实现全寿命周期的数字化技术，已经摆在航空行业面前。仅以飞机机翼快速研制系统集成技术为例，CAD/CAE/CAPP/CAM应用已空前普及；其中，MSC/NASTRAN发挥了巨大的作用。机翼外形的CAD数字化模型确定之后，机翼结构的快速配置与优化需要CAD/CAE的紧密集成及FEA快速数字化建模。但是，为了准备FEA分析模型，实现CAD数字化模型向NASTRAN数字化模型的转化，人工工作量较大，建模周期比较长。面对全寿命周期的数字化建模技术，对CAD/CAE的紧密集成与FEA建模自动化，又有了更高的技术要求。“九五”期间，针对这种情况AVIC与MSC签订了技术合作开发协议“MEMORANDUM FOR JOINT DEVELOPMENT BETWEEN AVIATION INDUSTRIES OF CHINA AND THE MACNEAL－SCHWNDLER CORPORATION. June 15. 1996 ”，利用已有的预研成果，在MSC/PATRAN的PCL平台上开发了飞机的有限元建模软件--AERO_FEMP ( AEROnautical Finite Element Modeling Program )。该建模软件，应用飞机结构特征技术，实现了CAD模型向NASTRAN模型的数字化转换。本文针对机翼快速研制集成为目标，针对飞机翼面结构的特征，介绍了翼面结构的特征类型，快速配置与修改，机翼FEA快速数字化建模流程等方面的集成技术。

2 机翼结构的特征类型

现代高速飞机的机翼外形，不管是从平面或横截面来看，都必须与能够承受机翼上载荷的结构型式相适应，基本上有三种不同类型的机翼结构：大展弦比的盒型梁式结构、小展弦比的多梁式结构及三角型对于机翼结构。

我们研究它们内部区域结构配置，忽略其具体位置与尺寸，不难发现许多区域在几何拓扑上具有相似性或重复性，需要蒙皮、纵向（沿机翼纵向）加强构件和翼肋共同承受机翼上的载荷。如果我们定义这些几何拓扑上相似的结构为翼面的典型特征，建立翼面结构特征库，一旦翼面布置确定，我们利用这些特征，就能快速有效地产生特定机翼的FEA模型。图1是一个机翼特征结构的图标菜单。最常用的特征是四边形映射结构，只要给定肋及长桁的站位比，上下翼面的格节点与单元连接数据便可唯一确定，再配置之以材料与物理特性参数。梯型特征在歼7、歼8机翼主受力区都有应用。扇型特征在民机、SU-27与SU-30等翼面区域结构上应用。菱型特征在尾翼等结构上可以看到。因此，不难看出，只要翼面结构特征库的类型越多，它对各类机翼的组合能力也就越强。

图1机翼特征结构图标

3 翼面结构的配置与修改

机翼的基本形状一经决定，外形曲面的数字化模型可由CAD（例如CATIA）系统产生。但是，FEA数字化模型与CAD数字化模型不同，是一个与结构配置相结合的的离散模型。它包括：由肋、长桁、支撑的几何交汇点构成的节点集合，由节点连接数据与材料和物理特性参数组成的组合结构单元数据集合，多工况的载荷与约束数据集合等。AERO_FEMP提市合成革商会积极号令行业在未来35年内掀起原材料革命新热潮供了下述翼面结构配置与修改的功能：

（1）定义结构区域（DEF_ZONE）

翼面的不同特征结构由它们的公共边界连接。

DEF_ZONE提供了定义特征区域角点参数的功能。角点的参数化布置为翼面结构参数化设计与优化提供了基本参数。图2表明一种区域定义与状态。

图2 机翼平面区域剖分

（2）定义特征结构参数（DEF_SAFE）

这里，SAFE(Super Assembly Feature Entity)是翼面薄壁组合特征实体的总称。DEF_SAFE提供了友好的用户界面，定义各种形式的特征结构组合参数，包括：

● 肋与长桁的站位参数

● 肋板的厚度、肋上支撑与上下肋缘条的横截面积

● 上下翼面长桁的横截面积，梁壁板厚度

● 上下翼面蒙皮厚度。

翼面特征的不同，定义特征结构参数的界面也就各异。例如，映射四边形，梯形，扇形与菱形是四个最常用的特征。虽然它们都有相同的地方，但又各有特殊之处；映射四边形与梯形需要给出两个对边的站位，而扇形与菱形仅需肋和一个边的长桁站位及长桁的方向，另一个边的参数通过平行线求得。

DEF_SAFE 可以调用常规库定义材料与标准型材（图3）物理特性库，也可定义非标准型材（图4）参数化物理特性库。

图3. 国产标准型材图标 图4. 非标准型材图标<会议电视/p>

（3）翼面结构的修改（MODI_SAFE）

根据肋开袋机与长桁的站位，上下翼面的几何节点通过有关的几何算法求值。从相关的节点格上，用户能够看到某些病态的剖分及单元连接；形状尖异单元，便是其一。MODI_SAFE提供了合并与移动某些节点的可能性，从而可以消除病态。

4 面向数字化的机翼快速有限元建模

4.1 主要功能

目前机翼快速有限元建模具有下述功能：

· 模型操作（MODEL_OP）

· 部件操作（PART_OP）

· 接收CAD模型（GET_CAD）

· 创建线架模型（GEN_CAD）

· 创建特征区域 （DEF_ZONE）

·纺丝机 定义组合特征（DEF_SAFE）

· 产生FEA模型（ GEN_FEM）

· 实用功能（UTILITY）

4.2 机翼FEA快速建模的基本流程

基于MSC /PATRAN 平台的AERO_FEMP，建立了针对飞机机翼特征的FEA自动化建模流程。它既能支持飞机方案设计，也能支持飞机详细设计。图5表明了FEA快速数字化建模的流程设计。

图5. FEA快速建模的流程设计

在飞机方案设计阶段，飞机的外型是由通用的CATIA系统完成的。为了对结构进行优化布置与设计，往往要求在给定外型下对多种设计方案进行结构分析与比较，实现结构优化设计。这就要求在用户给出结构布置及元素的初始参数后快速给出FEA，结构元素的理想尺寸与物理特性参数将由结构优化程序综合给出。建立FEA的自动产生流程－QUICK方式，利用特性结构的参数模型文件，自动调用有关参数模型设计程序，便可形成FEA。

在飞机详细设计阶段，结构的外型与布置、元素的材料与物理特性参数均已完全确定，工程师需要进行结构的部件分析与整体分析，为生产与实验提供强度校核报告。建立FEA的图形交互定义设计流程，能精确地定义特征结构的参数模型并进行修改，通过自动调用参数模型设计程序，便能得到较精确的FEA。

显然，从CAD系统得到CAD数字化模型，特征结构区域求值，以及调用特征结构参数模型设计程序自动产生FEA，是流程的公用部分。对于方案设计与详细设计来说, 分别具有不同运行流程。全部软件近7万条语句,基于MSC/PATRAN的PCL语言开发，基本功能与MSC/PATRAN紧密集成，图形交互的界面友好。

4.3 几种工程应用实例

在MSC的长期友好合作下，飞机FEA数字化建模技术取得了重要进展，达到了预期的开发目标。中国航空工业第625研究所所与第603研究所积极协作，以机翼与部分机身结构的自动化有限元建模为基本应用对象，进行了CAD/CAE的数字化集成试用，成功地实现了CATIA＋PATRAN＋AERO_FEMP＋NASTRAN的数字化模型转换。图6，7、8、9是现有几类不同机翼的初步工程应用。当然，实际的飞机结构非常复杂，这些工作只是其中一个基本环节。针对具体的飞机型号，还应进行应用性开发，补充适当的特征结构，这是成功应用不可缺少的行业集中度较高工作。

图6 机翼特征结构的组合 图7 X机典型机翼的FEA模型

图8、X机型的典型布置与建模

图9、由两个机翼段组成的某民机机翼FEA模型

实践已部分表明，基于MSC/PATRAN的开放平台，进行自主开发，是我们实现机翼乃至全机的CAD与CAE紧密集成与FEA数字化建模的重要手段，可极大地提高飞机有限元建模效率及数字化模型质量。

5 参考资料

1. MEMORANDUM FOR JOINT DEVELOPMENT BETWEEN AVIATION INDUSTRIES OF CHINA AND THE MACNEAL－SCHWNDLER CORPORATION。 June 15. 1996

2. MEMORANDUM FOR AERO_FEMP JOINT PROJECT BETWEEN AVIC AND MSC: PROJECT SCHEDULE. June.11. 1996

3. e ZhongDi & Shen Guiche宝马ng: AERO_FEMP APPLICATION SPECIFICATION FOR CONCEPTUAL DESIGN. Oct.1. 1997

4. e ZhongDi & Shen Guicheng: AERO_FEMP APPLICATION SPECIFICATION FOR DETAILED DESIGN. Dec.30. 1997

5.岳中第，申贵成：基于MSC/PATRAN平台的AERO_FEMP 用户手册, 1997 .

6. MSC/PATRAN User Manual, VOL. 1,2,3

7．与TRAN 紧密集成的飞机有限元建模软件，MSC公司中国用户年会论文集，1999年，北京。(end)