飛機(jī)有限元模型快速加載技術(shù)

（1.中航飛機(jī)研發(fā)中心強(qiáng)度研究所;2.中航飛機(jī)漢中分公司工藝處，陜西 漢中 723000）

摘 要：本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有飛機(jī)有限元模型加載技術(shù)的研究，通過(guò)使用軟件ABAQUS功能，改變傳統(tǒng)手動(dòng)劃分加載區(qū)域的加載方法，探究直接將試驗(yàn)測(cè)壓點(diǎn)數(shù)據(jù)映射于飛機(jī)有限元單元上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分載的方法。并通過(guò)飛機(jī)背鰭加載模型驗(yàn)證了該方法的可行性與準(zhǔn)確性，為提高飛機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)效率提供了新思路與方法。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)有限元模型;ABAQUS;測(cè)壓點(diǎn);映射;自動(dòng)分載

1 引言

在飛機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于飛行載荷，通常先使用CFD方法獲得飛機(jī)外表面理論測(cè)壓點(diǎn)值，再將測(cè)壓點(diǎn)數(shù)據(jù)施加于飛機(jī)有限元模型單元上，然后再進(jìn)行強(qiáng)度校核。目前現(xiàn)有的加載方式多根據(jù)測(cè)壓點(diǎn)位置，手動(dòng)劃分測(cè)壓區(qū)域?qū)崿F(xiàn)加載。該方法可以簡(jiǎn)單有效的實(shí)現(xiàn)一般情況的分載。但在實(shí)際問(wèn)題中，當(dāng)目標(biāo)面外形復(fù)雜不規(guī)則，測(cè)壓點(diǎn)數(shù)目較多，要求校核工況數(shù)增多時(shí)，手動(dòng)劃分的方法已經(jīng)無(wú)法滿足快速有效實(shí)現(xiàn)分載的要求。

針對(duì)該問(wèn)題，本文通過(guò)基于ABAQUS/CAE所提供的解析映射域?qū)崿F(xiàn)測(cè)壓點(diǎn)（即加載點(diǎn)）對(duì)于目標(biāo)模型面的自動(dòng)分載。

2 方法介紹

解析映射域使用戶能夠通過(guò)外部數(shù)據(jù)源來(lái)定義隨空間變化的模型參數(shù)值。ABAQUS/CAE中映射域可以通過(guò)提供不同空間坐標(biāo)下厚度以及壓力值來(lái)定義隨空間變化的殼厚度或者壓力載荷。域值可通過(guò)定義云點(diǎn)數(shù)據(jù)文件或者直接從ABAQUS輸出數(shù)據(jù)庫(kù)文件（.odb）生成。映射域中點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以定義在全局坐標(biāo)系或者局部坐標(biāo)系中，局部坐標(biāo)系可以使用正交坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系或者球坐標(biāo)系。

2.1 映射域點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式

點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件提供兩種文件格式輸入，坐標(biāo)輸入（XYZ）和方格輸入（GRID），由于坐標(biāo)輸入在實(shí)際問(wèn)題中能夠更方便的通過(guò)導(dǎo)入外部點(diǎn)云文件建立映射域，因此本文僅介紹坐標(biāo)輸入法（XYZ）。

坐標(biāo)輸入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件由行數(shù)據(jù)組成。對(duì)于正交直角坐標(biāo)系每行必須包含X，Y，Z坐標(biāo)以及點(diǎn)對(duì)應(yīng)的域值。如果使用從外部導(dǎo)入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件，每行數(shù)據(jù)項(xiàng)的分隔符可以為空格，換行或者逗號(hào)。下面給出以逗號(hào)為間隔符的數(shù)據(jù)格式。

X1，Y1，Z1，VALUE

X2，Y2，Z2，VALUE

……

2.2 映射場(chǎng)加載搜索控制

在創(chuàng)建映射域?qū)υ捒虻挠成淇刂浦锌梢哉{(diào)整搜索容限參數(shù)。ABAQUS/CAE嘗試將所有的數(shù)據(jù)源點(diǎn)以及與其關(guān)聯(lián)的域值映射到目標(biāo)模型上。根據(jù)每一個(gè)數(shù)據(jù)源點(diǎn)離最近目標(biāo)網(wǎng)格模型節(jié)點(diǎn)的距離，決定是否使用該數(shù)據(jù)點(diǎn)。而最終的決定取決于用戶在映射控制頁(yè)面所設(shè)置的搜索距離容限值。

2.3 映射場(chǎng)點(diǎn)云搜索控制

正反方向垂直容限值定義了數(shù)據(jù)點(diǎn)能映射到目標(biāo)模型外表面的距離。對(duì)于正方向，默認(rèn)每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)離目標(biāo)面的距離必須小于目標(biāo)模型單元平均特征尺寸的0.05倍才會(huì)進(jìn)行映射。

可以通過(guò)修改距離容限值控制數(shù)據(jù)點(diǎn)的映射或者忽略。距離容限值可以通過(guò)定義相對(duì)于網(wǎng)格模型單元平均尺寸的系數(shù)，也可以直接定義其大小。

對(duì)于模型中沒(méi)有數(shù)據(jù)點(diǎn)映射的區(qū)域，將會(huì)被賦予默認(rèn)的未映射場(chǎng)值，默認(rèn)值為0。

對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)源，在映射器控制中有以下選項(xiàng)需要設(shè)定：

（1）容差類型。如果選擇相對(duì)（系統(tǒng)默認(rèn)絕對(duì)），容限值被定義為是玩?zhèn)€模型單元平均特征尺寸的一個(gè)系數(shù)。如果選擇絕對(duì)，容限值即為模型中實(shí)際長(zhǎng)度。

（2）正、負(fù)法向搜索距離容差。所有在這個(gè)距離內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，將會(huì)被映射于模型中用于分析。此容限僅用于目標(biāo)面的映射。正法向默認(rèn)值為0.05乘以網(wǎng)格模型單元平均特征尺寸，負(fù)法向默認(rèn)值為0.15乘以網(wǎng)格模型單元平均特征尺寸。

（3）邊界搜索距離容差。此容差規(guī)定了數(shù)據(jù)點(diǎn)賦值給目標(biāo)網(wǎng)格模型外單元的面內(nèi)距離容差。由默認(rèn)的0.01（相對(duì)）增加后可以有效擴(kuò)展所希望進(jìn)行映射的目標(biāo)單元面。當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)密度比目標(biāo)單元網(wǎng)格更為粗糙時(shí)，增加此容差值更有益處。

（4）相鄰搜索距離容差。任何位于相鄰搜索距離容差值外的數(shù)據(jù)點(diǎn)都將被忽略不被用于分析。此容差可用于面和體的目標(biāo)映射。

ABAQUS/CAE使用距離權(quán)重算法用于將數(shù)據(jù)場(chǎng)的值差分映射于目標(biāo)網(wǎng)格模型上。如果無(wú)法找到實(shí)現(xiàn)差分的點(diǎn)，距離權(quán)重算法將會(huì)被使用于位于相鄰搜索距離容差內(nèi)的節(jié)點(diǎn)。距離權(quán)重不考慮其他現(xiàn)有的容限（正、負(fù)法向搜索距離容差、邊界搜索距離容差）。也可以通過(guò)賦很小的相鄰搜索距離容差來(lái)關(guān)閉此功能，此時(shí)這些點(diǎn)將默認(rèn)賦予未映射場(chǎng)值，見(jiàn)圖1。

其中P1和P2為兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。相鄰搜索距離容差若大于H1，則其對(duì)目標(biāo)面映射區(qū)域?yàn)橐訮1為圓心，以相鄰搜索距離容差值為半徑的球面對(duì)目標(biāo)面的切面，圖中對(duì)應(yīng)即為以R1為半徑的圓，面內(nèi)單元映射值都為P1點(diǎn)域值。如果其影響面積與其他數(shù)據(jù)點(diǎn)重合，對(duì)應(yīng)圖中陰影區(qū)域，則該區(qū)域內(nèi)單元采用距離權(quán)重算法賦予其映射值，非重合區(qū)域單元映射值分別對(duì)應(yīng)P1和P2點(diǎn)域值。

2.4 目標(biāo)表面映射算法控制

映射目標(biāo)區(qū)域一般為體、面或者節(jié)點(diǎn)中的一種。如果目標(biāo)為體模型，則只能使用體積映射算法。但如果目標(biāo)面為面或者節(jié)點(diǎn)集，則可以選擇面或者體積映射算法。對(duì)于面映射算法，是將數(shù)據(jù)點(diǎn)差值到目標(biāo)面的質(zhì)心或者節(jié)點(diǎn)上。對(duì)于體映射算法，是將數(shù)據(jù)點(diǎn)差值到目標(biāo)單元的質(zhì)心或者節(jié)點(diǎn)上。兩種方法的區(qū)別僅僅影響體積源的域值如何賦給目標(biāo)面。一般建議對(duì)目標(biāo)面使用面映射算法，對(duì)體模型使用體映射算法。

一般通過(guò)三個(gè)步驟嘗試將數(shù)據(jù)點(diǎn)映射到目標(biāo)點(diǎn)上：

（1）首先嘗試將域值內(nèi)插分到目標(biāo)上。相鄰搜索距離容差在此步將被忽略;

（2）接著使用距離權(quán)重算法處理位于相鄰搜索距離容差范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

（3）最后對(duì)還未映射的目標(biāo)點(diǎn)賦予為未映射場(chǎng)值。

3 飛機(jī)背鰭驗(yàn)證算例

為進(jìn)一步對(duì)該技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明，本節(jié)以飛機(jī)背鰭加載模型作為算例，對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證。模型中約束背鰭邊緣的平動(dòng)自由度，通過(guò)建立映射域?qū)Σ煌W(wǎng)格密度下的模型進(jìn)行加載，以驗(yàn)證快速加載技術(shù)的準(zhǔn)確性。背鰭外形見(jiàn)圖2。

為觀察網(wǎng)格密度對(duì)映射加載的影響，對(duì)背鰭模型分別采用5 cm，10 cm，20 cm和40 cm作為全局單元尺寸劃分網(wǎng)格。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，表2。

4 結(jié)論

由以上結(jié)果可知，在以算例中映射域數(shù)據(jù)點(diǎn)密度條件下，側(cè)向總載和航向總矩相對(duì)誤差較小，在可接受范圍內(nèi)，最大相對(duì)誤差分別為6.80%和3.87%。如果對(duì)加載精度有更高要求，也可以通過(guò)對(duì)測(cè)壓點(diǎn)總載荷進(jìn)行等比例放大的方法進(jìn)行修正，修正后結(jié)果見(jiàn)表1，表2.側(cè)向總載相對(duì)誤差和航向總矩相對(duì)誤差分別減小為1.85%和1.27%。通過(guò)分析計(jì)算可知，在映射域數(shù)據(jù)點(diǎn)密度達(dá)到一定要求時(shí)，使用映射域加載以及后續(xù)載荷修正可以實(shí)現(xiàn)精確加載。

以上分析計(jì)算說(shuō)明在處理外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測(cè)壓點(diǎn)數(shù)據(jù)以及要求校核的載荷工況較多的實(shí)際問(wèn)題中，該快速加載技術(shù)能高效的實(shí)現(xiàn)將測(cè)壓數(shù)據(jù)施加于有限元模型的目的，在處理實(shí)際問(wèn)題中具有可行性。