基于民機強度設(shè)計的有限元模型對比研究

摘" 要：該文針對民機強度設(shè)計流程提出一種快速迭代優(yōu)化的設(shè)計思路。通過自然網(wǎng)格有限元模型、整體有限元模型及細(xì)化網(wǎng)格有限元模型的建模方法及特點，對計算結(jié)果進(jìn)行內(nèi)力傳載對比分析，分析結(jié)果表明整體模型精度和準(zhǔn)確性滿足設(shè)計要求。由于整體有限元模型修改方便快捷，相對于民機自然網(wǎng)格有限元模型和細(xì)化網(wǎng)格有限元模型，其建模效率大大提升，可以快速地在方案設(shè)計階段進(jìn)行迭代優(yōu)化工作，為民機強度設(shè)計周期節(jié)約很多時間。

關(guān)鍵詞：有限元模型；傳載分析；快速優(yōu)化迭代；設(shè)計方法；民機結(jié)構(gòu)強度

中圖分類號：V222" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " "文章編號：2095-2945（2023）16-0102-04

Abstract： In this paper， a fast iterative optimization design idea is proposed for the strength design process of civil aircraft. Through the modeling methods and characteristics of the natural grid finite element model， the overall finite element model and the refined grid finite element model， the calculation results are compared and analyzed. The analysis results show that the accuracy and accuracy of the overall model meet the design requirements. Because the modification of the whole finite element model is convenient and fast， compared with the civil aircraft natural mesh finite element model and the fine mesh finite element model， its modeling efficiency is greatly improved， and the iterative optimization can be carried out quickly in the scheme design stage. It saves a lot of time for the strength design cycle of civil aircraft.

Keywords： finite element model; load transfer analysis; fast optimization iteration; design method; structural strength of civil aircraft

隨著近些年社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，民用飛機航運市場的發(fā)展前景越來越好，提前占有市場對企業(yè)發(fā)展有很大的影響力，使企業(yè)有更多發(fā)展機會。但是民機項目的設(shè)計研制周期一般較長，設(shè)計周期幾年甚至幾十年，并且通常民機設(shè)計需要采用經(jīng)過適航認(rèn)證的自然網(wǎng)格有限元模型來進(jìn)行飛機結(jié)構(gòu)強度校核分析[1]。針對民機結(jié)構(gòu)強度設(shè)計所使用的自然網(wǎng)格有限元模型建模，在進(jìn)行模型單元屬性幾何參數(shù)獲取的過程中（如結(jié)構(gòu)截面面積、慣性矩等參數(shù)）建模及附屬性所占用的周期較長，對于一些復(fù)雜的連接細(xì)節(jié)無法準(zhǔn)確地進(jìn)行模擬。另一方面，利用自然網(wǎng)格有限元模型進(jìn)行強度校核分析時，其結(jié)果不能夠直觀地反映出結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力變化區(qū)域[2]，需要后續(xù)將單元內(nèi)力計算結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，來進(jìn)行工程校核分析。

本文基于現(xiàn)有民機設(shè)計過程中采用自然網(wǎng)格有限元模型強度設(shè)計的基礎(chǔ)上，提出了使用整體有限元模型進(jìn)行快速迭代優(yōu)化的工作方法進(jìn)行方案階段的迭代設(shè)計工作。最后采用民航局方認(rèn)可的民機自然網(wǎng)格有限元模型進(jìn)行工程校核的設(shè)計思路。采用該方法的設(shè)計思路可以有效提高大型民用飛機的研發(fā)設(shè)計效率，縮短民用飛機的設(shè)計周期，能夠在民用飛機方案設(shè)計階段快速地進(jìn)行不同方案迭代設(shè)計，從而達(dá)到縮短研發(fā)設(shè)計周期。

1" 模型介紹

本文中為了驗證所使用的整體有限元模型的計算結(jié)果的準(zhǔn)確性及計算精度，采用與自然網(wǎng)格有限元模型、細(xì)化網(wǎng)格有限元模型的傳載進(jìn)行對比分析，分別介紹了不同有限元模型的建模情況。

自然網(wǎng)格有限元模型是以飛機發(fā)布的外形骨架數(shù)模（主要包含飛機理論外形面，機身按照框、長桁及縱梁，翼面按照肋和長桁等）作為有限元網(wǎng)格劃分的基準(zhǔn)，網(wǎng)格尺寸較大。該模型能夠主要反映出飛機主承力結(jié)構(gòu)的傳載內(nèi)力特性，并且根據(jù)工程校核方法也能夠快速計算出飛機的整體位移和單元內(nèi)力，其內(nèi)力的計算和模型的簡化方法能夠滿足工程校核對結(jié)構(gòu)強度分析的設(shè)計要求，該自然網(wǎng)格有限元模型也是民機適航局認(rèn)可的用來進(jìn)行民機結(jié)構(gòu)強度設(shè)計的有限元模型。

整體有限元模型與自然網(wǎng)格有限元模型建?；疽恢?，也是以飛機發(fā)布的骨架數(shù)模作為有限元網(wǎng)格劃分的基準(zhǔn)。該模型能夠主要反映出飛機主承力結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)傳載特性，只是在進(jìn)行有限元建模時的單元屬性與自然網(wǎng)格模型單元屬性有所不同，可以直接通過分析后處理軟件查看飛機結(jié)構(gòu)的變形及單元應(yīng)力分布情況，從而快速明了地了解全機的整體應(yīng)力及嚴(yán)重區(qū)域情況。

細(xì)化網(wǎng)格有限元模型是建模時采用一定中等尺寸大小的網(wǎng)格單元，針對自然網(wǎng)格有限元模型簡化時不能夠體現(xiàn)較為重要的結(jié)構(gòu)特征（例如框腹板、蒙皮厚度過渡區(qū)、開口區(qū)蒙皮R角區(qū)域等）進(jìn)行補充分析。有限元簡化的模型基本遵循結(jié)構(gòu)數(shù)模的幾何特征，局部位置的單元可以采用剛度等效或者厚度融合法，模擬結(jié)構(gòu)間的連接，能夠?qū)ψ匀痪W(wǎng)格模型中不能體現(xiàn)的重要位置的應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行補充分析。

本文提出的整體有限元模型的網(wǎng)格尺寸與自然網(wǎng)格有限元模型一樣，基于自然網(wǎng)格有限元模型，將框及主要傳力結(jié)構(gòu)件的腹板建立出來，內(nèi)外緣條利用梁元模擬，通過單元有限元屬性的區(qū)別，建立大尺寸的板桿系模型。該模型相對于自然網(wǎng)格有限元模型區(qū)別在于可以通過后處理有限元商用軟件分析后直接查看結(jié)構(gòu)模型的變形及應(yīng)力分布情況，方便在優(yōu)化迭代過程中使用，極大地提高了設(shè)計方案迭代效率。

2" 模型對比分析

2.1" 有限元模型介紹

本文為了對比所提出的整體模型的優(yōu)勢，采用某大型客機全機模型進(jìn)行計算分析，分別采用機頭結(jié)構(gòu)典型區(qū)域位置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同有限元模型的傳載分析對比。

依據(jù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)數(shù)模分別建立了自然網(wǎng)格有限元模型、整體有限元模型、細(xì)化網(wǎng)格有限元模型等3個不同的有限元模型，不同模型有限元建模的定義分別如下：

自然網(wǎng)格有限元模型——大尺寸有限元模型（主要包含飛機機身按照框、長桁及縱梁）作為網(wǎng)格劃分基準(zhǔn)。蒙皮單元模擬為膜單元，框單元模擬為平面梁元，局部模型如圖1所示。

整體有限元模型——大尺寸有限元模型（主要包含飛機機身按照框、長桁及縱梁）作為網(wǎng)格劃分基準(zhǔn)。蒙皮單元模擬為shell單元，框內(nèi)/外緣條單元模擬為梁元，框腹板模擬為shell單元，局部模型如圖2所示。

細(xì)化網(wǎng)格有限元模型——中等尺寸大小的網(wǎng)格單元，蒙皮單元模擬為shell單元，框內(nèi)/外緣條單元模擬為梁元，框腹板模擬為shell單元，局部模型如圖3所示。

2.2" 載荷及邊界條件介紹

根據(jù)建立的結(jié)構(gòu)有限元模型，將模型通過BDF文件裝配到全機模型中，通過模型上的節(jié)點進(jìn)行加載計算，在全機起落架上進(jìn)行全機靜力平衡施加約束。

根據(jù)全機的載荷計算情況分析，所有的載荷工況數(shù)量共有1 200多個，包含飛行載荷工況、地面載荷工況、氣密工況和動載荷工況等。由于載荷工況數(shù)量較大，數(shù)據(jù)處理分析工作量較大，所以根據(jù)計算分析結(jié)果選取4個典型的嚴(yán)重載荷工況結(jié)果進(jìn)行典型結(jié)構(gòu)的傳載內(nèi)力對比分析，所選取的載荷工況見表1。

2.3" 模型傳載分析

在本文中針對不同的有限元模型分別挑選了4個嚴(yán)重載荷工況的分析，并且對其計算結(jié)果主要從變形、單元內(nèi)力進(jìn)行對比分析。選取典型結(jié)構(gòu)：FR18站位上部拉桿結(jié)構(gòu)、前起落架艙與地板橫梁連接拉桿、FR24站位長桁結(jié)構(gòu)、FR25站位結(jié)構(gòu)、FR23站位頂部壁板結(jié)構(gòu)，對其單元內(nèi)力進(jìn)行分析。

根據(jù)計算結(jié)果分析：自然網(wǎng)格有限元模型、整體有限元模型、細(xì)化網(wǎng)格有限元模型的整體變形如圖4所示；FR18站位上部拉桿載荷對比如圖5所示；前起落架艙與地板橫梁連接拉桿載荷對比如圖6、圖7所示；FR24站位長桁軸力載荷對比如圖8所示；FR25站位節(jié)點力載荷對比如圖9所示；FR23站位頂部壁板線力和剪流對比如圖10、圖11所示。

根據(jù)圖4—圖11可以表明：典型嚴(yán)重載荷工況下自然網(wǎng)格有限元模型、整體有限元模型、細(xì)化網(wǎng)格有限元模型的結(jié)構(gòu)整體變形大小基本一致，并且3個模型的最大變形位置都一致；結(jié)構(gòu)FR18站位上部拉桿、前起落架艙與地板橫梁連接拉桿、FR24站位長桁、FR25站位典型結(jié)構(gòu)位置的傳載內(nèi)力大小基本一樣，在100000工況下，3個有限元模型前起落架拉桿載荷變化趨勢一致，并且左右對稱；3個有限元模型在典型框站位的截面載荷、傳載大小基本一致；FR23站位頂部壁板結(jié)構(gòu)的單元內(nèi)力位置處，自然網(wǎng)格有限元模型和整體有限元模型在典型框站位兩側(cè)的蒙皮載荷傳載誤差不大，符合性較好。

根據(jù)3種不同有限元模型的剛度和傳載對比分析，整體有限元模型和自然網(wǎng)格有限元模型的計算結(jié)果誤差差別不大，滿足結(jié)構(gòu)強度的計算要求，可以用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化迭代設(shè)計。

2.4" 優(yōu)化設(shè)計方法

本文中提出了一種針對民機強度設(shè)計的快速優(yōu)化迭代方法。由于采用自然網(wǎng)格有限元模型進(jìn)行迭代時，需要結(jié)構(gòu)的幾何截面面積、慣性矩、形心高度等幾何參數(shù)，該過程幾何參數(shù)的獲取需要花費大量的時間周期，建模效率較低，迭代優(yōu)化時采用工程校核的方法進(jìn)行，整個一輪的方案優(yōu)化迭代周期時間較長，項目進(jìn)度相對較慢。

針對初始自然網(wǎng)格有限元模型的計算結(jié)果，建立整體有限元模型可以快速進(jìn)行建模計算分析，并且可以直觀地查看結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布情況，針對計算結(jié)果能夠快速地進(jìn)行分析判斷，并且很快地將有限元模型進(jìn)行更新迭代。利用計算結(jié)果進(jìn)行下一步迭代優(yōu)化工作，工作效率提升很大，直到方案迭代得到最優(yōu)的設(shè)計方案。最后再根據(jù)整體有限元模型迭代的結(jié)果進(jìn)行更改結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)模，利用結(jié)構(gòu)數(shù)模進(jìn)行自然網(wǎng)格有限元模型建模，并且根據(jù)內(nèi)力計算結(jié)果進(jìn)行工程校核。針對民機強度設(shè)計的快速優(yōu)化迭代方法具體的設(shè)計流程如圖12所示。

3" 結(jié)束語

本文提出了一種通過整體有限元模型進(jìn)行民機強度快速設(shè)計迭代的方法思路。通過建立不同有限元模型，選取典型結(jié)構(gòu)區(qū)域在嚴(yán)重典型載荷工況下的計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。單元內(nèi)力對比分析結(jié)果表明整體有限元模型分析結(jié)果與自然網(wǎng)格有限元模型計算結(jié)果的剛度及內(nèi)力傳載基本一致，表明了整體有限元模型建模及模擬結(jié)構(gòu)傳載的準(zhǔn)確性。該模型可以在方案階段快速地進(jìn)行迭代優(yōu)化，極大提升了強度設(shè)計效率，縮短了項目設(shè)計周期，對項目設(shè)計具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 艾森，聶小華.利用精細(xì)有限元模型實現(xiàn)大型機翼尺寸優(yōu)化設(shè)計[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2021，40（3）：487-492.