机翼壁板参数化有限元模型属性更新研究

吴 强 魏腾飞



机翼壁板参数化有限元模型属性更新研究

吴 强 魏腾飞

本文提出了一种机翼壁板的参数表述和有限元模型属性快速更新方法。该方法将机翼壁板的几何特征表征为依附于长桁与肋交点处的若干参数，使有限元模型的设计输入由具体数模转变为参数表单。通过EXCEL将有限元模型属性及NASTRAN卡片表述为这些参数的函数，利用EXCEL表实时更新的特性，实现参数表与有限元模型的同步更新。相比于传统的机翼有限元模型更新方式，该方法不需要具体的结构数模，也省去了截面剖切的过程，能够实现有限元模型的快速更新。

有限元内力计算模型是飞机设计中获取结构内力分配的工具。通常进行外翼盒段有限元建模时，需要等结构数模完备后，剖切模型、测量截面信息、通过PATRAN等有限元前处理工具或者更改NASTRAN数据卡片等方式逐个单元的更新有限元单元属性。由于大型飞机外翼盒段壁板多采用连续变厚度曲面设计，不同站位处的蒙皮厚度和长桁截面均不相同，模型中通常会有数百个以上的属性卡片，采用上述方法建模及更新模型时费时费力。有资料表明，有限元建模在整个有限元分析工作量中占70%～80%左右。

机翼壁板设计要同时满足静力、疲劳、颤振、静气弹、工艺、重量等多学科约束条件，其设计过程往往需要十数轮的多专业协同迭代、并行工作，而有限元模型是静力、疲劳、颤振、静气弹等学科设计的基础，需要在每一轮迭代中对其单元属性进行更新。能否在每一轮设计迭代中对有限元模型进行快速更新是能否加快外翼盒段研制过程的关键之一。现有方法需要在结构数模完备后工作，不能满足各专业并行工作的需求；数模截面剖切、测量及有限元属性更新需要大量的人力和时间，并不能满足有限元模型快速更新的需求。

目前，关于机翼结构的参数化有限元建模的相关研究的公开资料并不多见。罗明强等人研究了机翼结构的参数设计和CAD实现，但并不涉及有限元建模；朱永洲等人研究了基于CATIA的CAD与CAE系统的数据传递的参数化实现，但该研究依然基于已有结构数模基础上的有限元建模和属性更新，无法实现上述各专业并行工作的需求。

本文定位于机翼结构的初步设计阶段和详细设计初期，建立一种满足各专业并行工作的外翼盒段有限元模型快速更新方法，从而克服现有方法的不足，充分满足机翼壁板设计快速迭代的要求。

本文通过将机翼的几何特征以参数化方法表征为数据表单形式，使得有限元模型的设计输入由具体数模转变为参数表单，也使得各专业协同设计阶段的外翼盒段的设计对象由具体数模转变为参数化表单。通过EXCEL将有限元模型属性及NASTRAN卡片表述为这些参数的函数，利用EXCEL表单实时更新的特性，实现参数表与有限元模型的同步更新。其建模流程如图1所示。

机翼壁板几何特征的参数化表述

图1　机翼壁板参数化建模流程

机翼盒段结构由翼肋、前后梁和上下壁板组成，壁板又由长桁和蒙皮构成，如图2所示。机翼壁板几何特征由外形特征和截面尺寸特征组成。将机翼壁板的外形参数以展向元件（长桁、梁等）与弦向元件（肋）的交点（特征节点）坐标的形式表述，将机翼壁板的截面几何参数表述为特征节点处的蒙皮厚度、纵向元件几何尺寸。通过这些方式，可以将外翼盒段的几何特征表述为EXCEL参数化表单。

图2　机翼盒段结构示意图

图3　机翼壁板截面几何参数

以“T”字型长桁为例，特征点处典型的壁板截面几何参数如图3所示，由蒙皮厚度和长桁的高度、腹板厚度、缘条宽度和缘条厚度等形状参数组成。

综上所述，每个特征点处的几何特征参数可以用表1表示，表示壁板上序号为i的特征点，其坐标为（xi，yi，zi），该点处的蒙皮厚度为ei，长桁高度为ai，长桁缘条宽度为bi，缘条厚度为ci，腹板厚度为di。

表1　每个特征点处的几何特征参数

有限元模型属性更新

特征节点处的有限元特性

在机翼的内力计算模型中，将有限元节点建在特征点处，蒙皮由偏置壳元模拟，长桁用偏置梁元模拟。蒙皮和长桁单元法向均以垂直于外形面向外为正。与有限元模型相关的特征点处的蒙皮参数有蒙皮厚度、蒙皮偏置量（中面距外形面距离，即厚度的一半）；长桁参数有长桁面积、长桁偏置量（长桁形心与外形面的距离）和长桁绕水平轴的惯性矩。蒙皮相关参数可由表1得到，长桁相关参数则可通过公式（1）～（3）计算得到。其中，Asti是第i个点处的长桁面积，Zsti是第i个点处的长桁偏置量，Isti是第i个点处的长桁惯性矩。这样，特征节点处的有限元特性可以表述为表2形式：

表22　每个特征点处的有限元特性

有限元单元属性

每个蒙皮单元有3个（CTRIA3单元）或者4个节点（CQUAD4单元），蒙皮单元的厚度和偏置量取各个节点处的平均值。每个长桁单元有2个节点（CBAR），长桁的面积和惯性矩取2个节点处的平均值，偏置量取各自节点处的值。

创建有限元单元属性的关键是将每个单元与其节点处的有限元特性相关联。本文通过使用EXCEL中的INDEX函数和MATCH函数实现单元各节点处的有限元特性的查找和关联。通过MATCH函数查找单元中的节点在表2中的行序列号，通过INDEX函数查找该行中的各有限元属性。

NASTRAN卡片输出

通过EXCEL中的FIXED函数使每个表格中的数位位数固定。利用EXCEL VBA的“print”命令将各表单中更新的有限元属性信息和有限元节点信息、网格信息以及材料信息输出成NASTRAN有限元模型卡片格式。

结语

本文提出了一种机翼壁板的参数表述和有限元模型属性快速更新方法。该方法不需要具体的结构数模，也省去了截面剖切的过程，能够实现有限元模型的快速生成，加快了设计流程，也能满足有限元模型随结构设计同步更新的要求。

吴 强 魏腾飞

中国商飞上海飞机设计研究院

吴强（1987-）男，硕士，工程师。主要研究方向：有限元，静强度。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.009