CN102446241B - 一种翼面结构刚度仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种翼面结构刚度仿真方法，以CATIA为对象，包括以下几个步骤：步骤一、模型初始化；步骤二、参数初始化；步骤三、CAD模型操作；步骤四、数图处理；步骤五、获取翼面刚度；本发明创新性地将工程梁理论与CAD二次开发技术相结合，以CATIA为例，能够在CATIA的环境下快速完成翼面结构刚度提取，且结果精度较高，系统使用方便，界面友好，与CATIA实现了完美结合，突破了三维CAD软件因专业限制而造成的无法计算翼面结构刚度特性的障碍，是对CAD软件功能本身的一个补充与提升。

Description

一种翼面结构刚度仿真方法

技术领域

本发明属于航空航天飞行器结构设计技术领域，具体涉及一种翼面结构刚度仿真方法。

背景技术

在飞行器翼面结构设计中，翼面结构刚度设计占据着非常重要的地位。翼面结构作为飞行器主要的承力部件，在其使用过程中将承受较大的载荷，若其结构的刚度特性不满足设计要求，将会产生严重的有害变形、振动及气动弹性等问题。以大型飞机为例，飞机的外形及结构尺寸较大，结构的刚度问题必然会更为突出。大飞机结构零部件较多，零部件之间通过连接件进行连接，结构的连续性不好，从而导致整体结构刚度的下降。结构的尺寸较大将导致结构的变形增大，进而会对飞机的整体性能和功能产生一定的影响，比如变形会影响飞机的气动性能，对于具有运动机构的构件，结构变形会对机构的运动精度、运动性能和运动轨迹产生一定的影响。因此，在飞行器结构设计的过程中，充分认识和了解翼面结构的刚度特性是非常必要的。分析计算翼面结构刚度特性及其分布——包括弯曲刚度和扭转刚度，是飞行器翼面结构刚度设计的关键，是进一步分析、设计翼面结构的依据。

以飞机结构设计为例。在飞机初步设计阶段，一般根据结构变形、气动弹性等方面的要求对翼面结构提出一定的刚度指标。结构设计人员初步设计的机翼结构需要满足上述刚度指标，如果不满足，将对飞机的总体及气动弹性性能有较大影响，甚至会出现严重的安全问题，需要重新进行翼面结构设计，工作量非常庞大。往往校核刚度指标是否满足要求的方法大多采用有限元法，通过有限元建模、加载，计算出相应翼面结构的刚度特性。可想而知，如果结构刚度特性不满足指标要求，就需要反复进行有限元建模计算，这将是非常繁重的一项工作。

目前，在航空领域进行飞行器设计过程中，一般采用CAD三维造型软件进行结构设计，尤以CATIA居多。如果能够实现在已建立的CAD三维模型中，快速计算出机翼各剖面的刚度及刚心位置，并针对刚度较弱的构件进行有针对性的局部调整以满足刚度指标要求，势必将大大提高飞机翼面结构设计的效率，且对翼面结构材料的充分利用也将有积极作用。然而，几乎所有的CAD软件现有模块都无法实现这一智能化计算功能，专业限制以及知识模块的不完备是其主要功能缺陷。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有飞行器翼面结构设计技术中存在的问题，本发明提出一种翼面结构刚度仿真方法，解决传统翼面结构刚度设计过程中的弊端，快速获取翼面的刚度特性，有利于合理地进行结构刚度设计，提高飞行器翼面结构设计的效率。

一种翼面结构刚度仿真方法，以CATIA为对象，包括以下几个步骤：

步骤一、模型初始化；

初始化CAD软件，将目标模型初始化为当前工作对象，首先判断是否已启动CATIA程序，如果未启动，自动获取CATIA对象，并启动CATIA；其次，判断当前激活文件是否为目标模型文件，如若不是，则自动激活目标模型文件；

步骤二、参数初始化；

交互输入所要获取刚度特性的截面的位置参数，位置参数为数字参数或者图形参数，当为数字参数时，以点坐标位置形式输入并生成站位面；当为图形参数时，交互选择已存在的站位面，作为目标模型的初始化参数；通过选择站位面，获取平面对象，作为目标模型的唯一参数输入；判断参数是否正确，如果正确进行下一步，否则从新获取参数；

步骤三、CAD模型操作；

获取三维CAD模型基本参数，在结构装配体模型中快速获取任意指定站位面的几何特性及与截面相关联的构件的材料属性；截面几何特性包括构件的截面面积、形心坐标、对自身的惯性矩，以及蒙皮长度、沿弦线方向的厚度和翼梁高度、腹板的厚度；在CATIA三维模型上生成分割，并提取出该输入站位面位置上的翼面截面及材料属性和相应的几何特性；由于蒙皮及翼梁腹板是变厚度的，CATIA AUTOMATION提供的命令无法直接获取变厚度值，因而，在蒙皮以及翼梁缘线上建立一系列分布点，并在分布点位置上建立蒙皮及腹板相交线，调用长度测量函数获取蒙皮及腹板厚度；获取构件的材料属性主要是通过获取构件的材料牌号，从而获得其弹性模量E和剪切模量G；

步骤四、数图处理；

包括图形识别与数值计算两部分，图形识别是对CAD模型操作模块中获得的几何特性与材料特性数据进行处理，与其相对应的构件进行匹配；CATIA AUTOMATION命令从CATIA模型中获取的数据不能直接与构件一一对应，如不能分辨出数据到底是来自于蒙皮构件还是来自长桁构件，CATIA程序是按照结构树顺序依次进行提取的，然而与站位面相关联的构件不一定完全符合结构树顺序，因此，必须进行图形识别以确定数据与构件的匹配才可进行下一步的计算分析；图形识别的方法是：在进行结构装配件分割的过程中获取相关联构件的牌号，并将其传递给分割后提取的相应构件的截面，根据不同构件截面的牌号，甄别出不同的构件，同时，将前述模块获取的截面参数以数据结构组的形式存储于各自构件的存储容器中，即实现数据与结构的匹配；数值计算部分是在图形识别基础之上，对与构件匹配的数据进行合理处理，删除构件极限位置的奇异点，并按照工程梁理论计算要求进行数组排序；

步骤五、获取翼面刚度；

依据工程梁理论，获取翼面弯曲、扭转刚度及刚心位置，并以图表的形式输出沿弹性轴翼面刚度分布规律；获取刚度主要依据的公式如下：

弯曲刚度：

${\mathrm{EJ}}_x=E(\∫\mathrm{\φ}{y}^2\mathrm{tds}+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\φ}}_j{A}_j{y_j}^2)$

${\mathrm{EJ}}_y=E(\∫\mathrm{\φ}{x}^2\mathrm{tds}+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\φ}}_j{A}_j{x_j}^2)---\left(1\right)$

式中：φ_j——长桁与蒙皮间的折算系数；

A_j-每个长桁的面积；

s——沿蒙皮壁板积分方向上的线积分坐标；

E——材料弹性模量；

J_x，J_y——截面对形心X、Y轴的惯性矩；

x，y——蒙皮、壁板各段坐标；

x_j，y_j——长桁、缘条坐标；

t——蒙皮、壁板各段厚度。

扭转刚度：

$\mathrm{GJ}=\frac{{\mathrm{\Ω}}^2}{\∫\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{Gt}}}---\left(2\right)$

其中：t——各个不同积分段的厚度；

Ω——闭室面积的2倍；

G——材料切变模量；

s——沿蒙皮壁板积分方向上的线积分坐标；

J——截面扭转惯性矩。

刚心坐标：

$X=\frac{1}{J_{\mathrm{ox}1}}({\∫\tilde{S}}_x\mathrm{\ρds}-\frac{\∫\frac{{\stackrel{\text{~}}{S}}_x}{\mathrm{Gt}}\mathrm{ds}}{\∫\frac{1}{\mathrm{Gt}}\mathrm{ds}})$

$Y=\frac{1}{J_{\mathrm{oy}1}}(-{\∫\tilde{S}}_y\mathrm{\ρds}+\frac{\∫\frac{{\tilde{S}}_y}{\mathrm{Gt}}\mathrm{ds}}{\∫\frac{1}{\mathrm{Gt}}\mathrm{ds}})---\left(3\right)$

式中：J_ox1，J_oy1——剖面对形心主轴的惯性矩；

ρ-不同积分段的曲率半径；

G——材料的剪切模量；

t——不同积分段的材料厚度；

是每个积分段的广义静矩；

s——沿蒙皮壁板积分方向上的线积分坐标；

X，Y——刚心平面坐标。

将得到的弯曲刚度、扭转刚度、刚心以图表形式输出翼面结构刚度分布规律。

本发明的优点在于：

(1)本发明创新性地将工程梁理论与CAD二次开发技术相结合，以CATIA为例，能够在CATIA的环境下快速完成翼面结构刚度提取，且结果精度较高，系统使用方便，界面友好，与CATIA实现了完美结合，突破了三维CAD软件因专业限制而造成的无法计算翼面结构刚度特性的障碍，是对CAD软件功能本身的一个补充与提升；

(2)本发明较高的计算效率与精度是其关键所在，为飞行器翼面结构设计人员准确而快速地获取结构刚度特性提供了极大的方便，提高了飞行器翼面结构与总体设计工作的效率；

(3)本发明实现三维CAD软件次开发技术与工程梁理论的结合，并嵌入到CAD环境中，是一种创新性的应用，飞行器翼面结构刚度提取仿真系统是首创的、唯一的。与传统的有限元建模计算翼面结构刚度特性方法相比，可靠性更强，使用更方便，节省了大量因不断建模、修改模型、加载而浪费的时间，效率得到明显提高。

(4)本发明方法新颖，思路明确，操作可行，具有较强的普适性，可以在大多数CAD软件中推广应用，对于结构设计工作有一定的推动作用。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明实施例的某机翼盒段CATIA三维实体图；

图3是本发明的系统结构知识化分析模块生成的线框模型图；

图4是本发明的系统结构知识化分析模块添加分割后提取的截面图；

图5是本发明的系统结构知识化分析模块获取蒙皮厚度示意图；

图6是本发明的系统沿展向获得的刚度分布曲线图，横轴表示沿展向从翼根到翼尖分布的站位面，纵轴表示刚度值；

图中：

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的一种翼面结构刚度仿真方法，结构刚度特性计算的理论基础是加筋薄壁结构的工程梁理论，将翼面结构的实际模型进行一定简化。计算结构刚度以及刚心坐标，关键在于获取构件的几何特性以及材料属性，本发明中以CATIA环境为例，应用CATIAAUTOMATION二次开发技术，获得翼面结构任意截面的截面特性及材料属性，并以数值的方式进行任意截面的弯曲刚度、扭转刚度及刚心的快速计算。本发明的方法为半交互式，计算迅速，智能化、自动化程度高。

本发明是一种翼面结构刚度仿真方法，以CATIA为对象，流程如图1所示，包括以下几个步骤：

步骤一、模型初始化；

初始化CAD软件，将目标模型初始化为当前工作对象，首先判断是否已启动CATIA程序，如果未启动，自动获取CATIA对象，并启动CATIA；其次，判断当前激活文件是否为目标模型文件，如若不是，则自动激活目标模型文件；

步骤二、参数初始化；

交互输入所要获取刚度特性的截面的位置参数，位置参数为数字参数或者图形参数，当为数字参数时，以点坐标位置形式输入并生成站位面；当为图形参数时，交互选择已存在的站位面，作为目标模型的初始化参数，本发明采用图形参数。通过选择站位面，获取平面对象，作为目标模型的唯一参数输入；判断参数是否正确，如果正确进行下一步，否则从新获取参数。

步骤三、CAD模型操作；

获取三维CAD模型基本参数，在结构装配体模型中快速获取任意指定站位面的几何特性及与截面相关联的构件的材料属性。截面几何特性包括构件的截面面积、形心坐标、对自身的惯性矩，以及蒙皮长度、沿弦线方向的厚度和翼梁高度、腹板的厚度。在CATIA三维模型上生成分割，并提取出该输入站位面位置上的翼面截面及材料属性和相应的几何特性，如蒙皮壁板长度、翼梁高度、构件面积及其形心坐标等。由于蒙皮及翼梁腹板是变厚度的，CATIAAUTOMATION提供的命令无法直接获取变厚度值，因而，在蒙皮以及翼梁缘线上建立一系列分布点，并在分布点位置上建立蒙皮及腹板相交线，调用长度测量函数获取蒙皮及腹板厚度。获取构件的材料属性主要是通过获取构件的材料牌号，从而获得其弹性模量E和剪切模量G。

步骤四、数图处理；

包括图形识别与数值计算两部分，图形识别是对CAD模型操作模块中获得的几何特性与材料特性数据进行处理，与其相对应的构件进行匹配。CATIA AUTOMATION命令从CATIA模型中获取的数据不能直接与构件一一对应，如不能分辨出数据到底是来自于蒙皮构件还是来自长桁构件，CATIA程序是按照结构树顺序依次进行提取的，然而与站位面相关联的构件不一定完全符合结构树顺序，因此，必须进行图形识别以确定数据与构件的匹配才可进行下一步的计算分析。图形识别的方法是：在进行结构装配件分割的过程中获取相关联构件的牌号，并将其传递给分割后提取的相应构件的截面，根据不同构件截面的牌号，甄别出不同的构件，同时，将前述模块获取的截面参数以数据结构组的形式存储于各自构件的存储容器中，即实现数据与结构的匹配。数值计算部分是在图形识别基础之上，对与构件匹配的数据进行合理处理，删除构件极限位置的奇异点，并按照工程梁理论计算要求进行数组排序。

步骤五、获取翼面刚度；

依据工程梁理论，获取翼面弯曲、扭转刚度及刚心位置，并以图表的形式输出沿弹性轴翼面刚度分布规律。获取刚度主要依据的公式如下：

弯曲刚度：

${\mathrm{EJ}}_x=E(\∫\mathrm{\φ}{y}^2\mathrm{tds}+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\φ}}_j{A}_j{y_j}^2)$

${\mathrm{EJ}}_y=E(\∫\mathrm{\φ}{x}^2\mathrm{tds}+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\φ}}_j{A}_j{x_j}^2)---\left(4\right)$

式中：φ_j——长桁与蒙皮间的折算系数；

A_j-每个长桁的面积；

s——沿蒙皮壁板积分方向上的线积分坐标；

E——材料弹性模量；

J_x，J_y——截面对形心X、Y轴的惯性矩；

x，y——蒙皮、壁板各段坐标；

x_j，y_j——长桁、缘条坐标；

t——蒙皮、壁板各段厚度。

扭转刚度：

$\mathrm{GJ}=\frac{{\mathrm{\Ω}}^2}{\∫\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{Gt}}}---\left(5\right)$

其中：t——各个不同积分段的厚度；

Ω——闭室面积的2倍；

G——材料切变模量；

s——沿蒙皮壁板积分方向上的线积分坐标；

J——截面扭转惯性矩。

刚心坐标：

$X=\frac{1}{J_{\mathrm{ox}1}}({\∫\tilde{S}}_x\mathrm{\ρds}-\frac{\∫\frac{{\stackrel{\text{~}}{S}}_x}{\mathrm{Gt}}\mathrm{ds}}{\∫\frac{1}{\mathrm{Gt}}\mathrm{ds}})$

$Y=\frac{1}{J_{\mathrm{oy}1}}(-{\∫\tilde{S}}_y\mathrm{\ρds}+\frac{\∫\frac{{\tilde{S}}_y}{\mathrm{Gt}}\mathrm{ds}}{\∫\frac{1}{\mathrm{Gt}}\mathrm{ds}})---\left(6\right)$

式中：J_ox1，J_oy1——剖面对形心主轴的惯性矩；

ρ——不同积分段的曲率半径；

G——材料的剪切模量；

t——不同积分段的材料厚度；

是每个积分段的广义静矩；

s——沿蒙皮壁板积分方向上的线积分坐标；

X，Y——刚心平面坐标。

将得到的弯曲刚度、扭转刚度、刚心以图表形式输出翼面结构刚度分布规律。

实施例：

如图2所示为某机翼盒段CATIA三维实体图，用户选取想要计算刚度特性的截面的站位平面，获得平面对象后，自动添加生成装配体分割特征。经过分析，获得与平面相关联的构件牌号及其材料属性、部分几何特性，同时，在站位平面位置上自动添加线框，如图3所示，并将CATIA工作平台转换为创成式外形设计，提取生成截面，如图4，与此同时，将添加分割步骤中获得的构件牌号传递到相应截面上。随后，根据构件牌号，获取蒙皮壁板、翼梁腹板截面，依次在其边缘线上布点，并进行求交运算，最终获取蒙皮及腹板沿缘线的厚度，如图5所示。随后，自动进行图形识别，分别识别出蒙皮、长桁、前后梁及其他纵横向元件，并将前述模块中获得的数据与图形进行快速匹配。其次，则进入数据处理与获取刚度、刚心阶段，去除极限位置不合理的原始数据，并依据工程梁理论获取弯曲刚度、扭转刚度及刚心，该过程是一个数值积分的过程，基本遵照模型外形的真实情况，计算准确度较高。最后，刚度结果将以图表的形式输出刚心坐标及刚度沿展向的分布曲线图，如图6所示。

Claims (2)

1.一种翼面结构刚度仿真方法，其特征在于，以CATIA为对象，包括以下几个步骤：

步骤一、模型初始化；

初始化CAD软件，将目标模型初始化为当前工作对象，首先判断是否已启动CATIA程序，如果未启动，自动获取CATIA对象，并启动CATIA；其次，判断当前激活文件是否为目标模型文件，如若不是，则自动激活目标模型文件；

步骤二、参数初始化；

交互输入所要获取刚度特性的截面的位置参数，位置参数为数字参数或者图形参数，当为数字参数时，以点坐标位置形式输入并生成站位面；当为图形参数时，交互选择已存在的站位面，作为目标模型的初始化参数；通过选择站位面，获取平面对象，作为目标模型的唯一参数输入；判断参数是否正确，如果正确进行下一步，否则重新获取参数；

步骤三、CAD模型操作；

获取三维CAD模型基本参数，在结构装配体模型中快速获取任意指定站位面的几何特性及与截面相关联的构件的材料属性；截面几何特性包括构件的截面面积、形心坐标、对自身的惯性矩，以及蒙皮长度、沿弦线方向的厚度和翼梁高度、腹板的厚度；在CATIA三维模型上生成分割，并提取出该输入站位面位置上的翼面截面及材料属性和相应的几何特性；由于蒙皮及翼梁腹板是变厚度的，CATIA AUTOMATION提供的命令无法直接获取变厚度值，因而，在蒙皮以及翼梁缘线上建立一系列分布点，并在分布点位置上建立蒙皮及腹板相交线，调用长度测量函数获取蒙皮及腹板厚度；获取构件的材料属性主要是通过获取构件的材料牌号，从而获得其弹性模量E和剪切模量G；

步骤四、数图处理；

包括图形识别与数值计算两部分，图形识别是对CAD模型操作模块中获得的几何特性与材料特性数据进行处理，与其相对应的构件进行匹配；CATIA AUTOMATION命令从CATIA模型中获取的数据不能直接与构件一一对应，如不能分辨出数据到底是来自于蒙皮构件还是来自长桁构件，CATIA程序是按照结构树顺序依次进行提取的，然而与站位面相关联的构件不一定完全符合结构树顺序，因此，必须进行图形识别以确定数据与构件的匹配才可进行下一步的计算分析；图形识别的方法是：在进行结构装配件分割的过程中获取相关联构件的牌号，并将其传递给分割后提取的相应构件的截面，根据不同构件截面的牌号，甄别出不同的构件，同时，将前述模块获取的截面参数以数据结构组的形式存储于各自构件的存储容器中，即实现数据与结构的匹配；数值计算部分是在图形识别基础之上，对与构件匹配的数据进行合理处理，删除构件极限位置的奇异点，并按照工程梁理论计算要求进行数组排序；

步骤五、获取翼面刚度；

依据工程梁理论，获取翼面弯曲、扭转刚度及刚心位置，并以图表的形式输出沿弹性轴翼面刚度分布规律；获取刚度主要依据的公式如下：

弯曲刚度：

${\mathrm{EJ}}_x=E(\∫\mathrm{\φ}{y}^2\mathrm{tds}+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\φ}}_j{A}_j{y_j}^2)$

${\mathrm{EJ}}_y=E(\∫\mathrm{\φ}{x}^2\mathrm{tds}+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\φ}}_j{A}_j{x_j}^2)---\left(1\right)$

式中：φ_j——长桁与蒙皮间的折算系数；

A_j——每个长桁的面积；

s——沿蒙皮壁板积分方向上的线积分坐标；

E——材料弹性模量；

J_x,J_y——截面对形心X、Y轴的惯性矩；

x,y——蒙皮、壁板各段坐标；

x_j,y_j——长桁、缘条坐标；

t——蒙皮、壁板各段厚度；

扭转刚度：

$\mathrm{GJ}=\frac{{\mathrm{\Ω}}^2}{\∫\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{Gt}}}---\left(2\right)$

其中：t——各个不同积分段的厚度；

Ω——闭室面积的2倍；

G——材料切变模量；

s——沿蒙皮壁板积分方向上的线积分坐标；

J——截面扭转惯性矩；

刚心坐标：

$X=\frac{1}{J_{\mathrm{ox}1}}({\∫\tilde{S}}_x\mathrm{\ρds}-\frac{\∫\frac{{\tilde{S}}_x}{\mathrm{Gt}}\mathrm{ds}}{\∫\frac{1}{\mathrm{Gt}}\mathrm{ds}})$

$Y=\frac{1}{J_{\mathrm{oy}1}}(-{\∫\tilde{S}}_y\mathrm{\ρds}+\frac{\∫\frac{{\tilde{S}}_y}{\mathrm{Gt}}\mathrm{ds}}{\∫\frac{1}{\mathrm{Gt}}\mathrm{ds}})---\left(3\right)$

式中：J_ox1,J_oy1——剖面对形心主轴的惯性矩；

ρ——不同积分段的曲率半径；

G——材料的剪切模量；

t——不同积分段的材料厚度；

是每个积分段的广义静矩；

s——沿蒙皮壁板积分方向上的线积分坐标；

X，Y——刚心平面坐标；

将得到的弯曲刚度、扭转刚度、刚心以图表形式输出翼面结构刚度分布规律。

2.根据权利要求1所述的一种翼面结构刚度仿真方法，其特征在于，所述的步骤二中采用图形参数。

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