CN106649902A - 一种飞行器舱段固有振动特性快速评估及优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种飞行器舱段固有振动特性快速评估及优化方法，需构建一个计算机辅助设计CAD和计算机辅助工程CAE集成子系统、数据库管理子系统和人机交互子系统的虚拟试验平台。构建虚拟试验平台的方法为：使用Delphi语言进行开发，直接利用现有大型商业软件(CAD软件CATIA、CAE软件ANSYS和数据库软件Microsoft Access)，并对开发的三个子系统(CAD与CAE集成子系统、数据库管理子系统和人机交互子系统)进行集成得到。该虚拟试验平台可依据待评估舱段的特征参数和力学性能参数，快速、准确、有效地评估其固有振动特性和结构方案的可行性，并在此基础上加以优化设计，输出得到飞行器舱段的最优结构模型。本方法可提高工作效率，提升设计质量，缩短设计周期。

Description

一种飞行器舱段固有振动特性快速评估及优化方法

技术领域

本发明属于产品性能快速分析领域，具体涉及一种飞行器舱段固有振动特性快速评估及优化分析方法。

背景技术

在飞行器方案设计阶段，为了快速有效地评估结构变化对舱段固有振动特性的影响，亟需一种基于结构特征可快速评估其固有振动特性的虚拟试验平台，这对于缩短设计周期、降低试验成本、提高设计水平具有重要的现实意义。

飞行器各舱段处在动态载荷工作环境中，必须研究其态特性，预示其动力响应，对飞行器舱段进行动态分析和动态设计。在结构的动态分析和动态设计中，广泛采用模态分析技术。研究发现，一般飞行器在飞行过程中所经历的振动环境对其造成的破坏，就其本质而言，都是由于飞行器结构设计不合理导致其固有振动特性无法适应飞行环境造成的。为了保证飞行器的安全性，飞行器各舱段都需进行固有振动特性评估。

通过虚拟试验平台，运用模态分析的方法，分析了解飞行器舱段在某一关心的频率范围内的固有振动特性，从而快递评估在此频段内结构在各种振源作用下的动响应。但目前为止，还没有任何报道给出一种成熟的解决方案。

发明内容

针对现有技术的迫切需求，本发明提供一种飞行器舱段固有振动特性快速评估及优化方法，其目的在于，通过该方法可对飞行器舱段的固有振动特性进行快速、准确、有效地评估，并可根据评估结果对舱段结构参数值进行调整优化，输出得到飞行器舱段的最优结构模型，可提高产品研发效率。

为了实现上述目的，本发明提供了一种飞行器舱段固有振动特性快速评估及优化方法，包括：

(1)开发计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)和计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，CAE)集成子系统，实现待开发虚拟试验平台中CAD模型和CAE模型的统一化：将飞行器舱段的结构特征参数化；使用CATIA参数化建立飞行器舱段CAD模型；使用ANSYS参数化建立飞行器舱段CAE模型；基于Delphi语言，开发Catia、ANSYS和待开发虚拟试验平台间的调用接口、数据交换接口；

(2)开发数据库管理子系统，实现待开发虚拟试验平台中各项数据存储、查找、读取等功能：分析待开发虚拟试验平台中数据管理需求；基于Delphi语言，以Microsoft Access为后台数据存储器，开发数据库应用程序，进而集成得到数据库管理子系统；开发数据库管理子系统和待开发虚拟试验平台间的调用接口、数据交换接口；

(3)开发人机交互子系统，通过友好的人机交互界面实现待开发虚拟试验平台中各项操作：基于Delphi语言，开发运行环境参数设置界面、评估参数输入界面、分析求解界面以及评估结果显示界面；开发人机交互子系统和待开发虚拟试验平台间的调用接口、数据交换接口；

(4)构建虚拟试验平台，该平台可依据待评估舱段的特征参数和力学性能参数，快速、准确、有效地评估其固有振动特性和结构方案的可行性：基于Delphi语言，利用上述三个子系统预留的调用接口和数据交换接口，对CAD和CAE集成子系统、数据库管理子子系统以及人机交互子子系统进行集成得到；

(5)启动虚拟试验平台，进入运行环境参数设置界面，初始化ANSYS、CATIA和Microsoft Access的运行环境，建立虚拟试验平台与ANSYS、CATIA、Microsoft Access之间的连接；

(6)进入评估参数输入界面，输入待评估飞行器舱段的结构参数值、力学性能参数值和求解设置参数值，并将上述参数输入到Microsoft Access中；

(7)进入分析求解界面，将步骤(6)中各项参数作为输入参数，对CATIA进行调用并输出对应的CAD模型模型，对ANSYS进行调用并输出固有振动特性各阶频率值、振型图片、振型动画等结果数据，并将上述各项数据写入到Microsoft Access中；

(8)进入评估结果显示界面，输入需要评估的固有振动特性阶数，从Microsoft Access中查询输出得到对应的数据，随后在评估结果显示界面中显示此阶下飞行器舱段的频率值、振型图片以及振型动画，判定分析评估待评估飞行器舱段的性能是否满足指标要求，若满足，则在MicrosoftAccess中将当前所对应的飞行器结构参数值标注为最优结构参数值，进入步骤(9)，否则返回步骤(6)，在评估参数输入界面调整结构参数值，重新分析评估；

(9)在虚拟试验平台中，将步骤(8)中标注的最优结构参数值输入到Microsoft Access中，输出得到飞行器舱段的最优结构模型及相应的评估报告。

利用本发明方法中的虚拟试验平台可提高工作效率，提升设计质量，缩短设计周期。本方法对其他机械产品也具有较好的通用性，可开发一个类似的虚拟试验平台实现对其固有振动特性进行评估和优化。

附图说明

图1为本发明飞行器舱段固有振动特性快速评估及优化方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明飞行器舱段固有振动特性快速评估及优化方法的流程图，该方法具体为：

(1)开发计算机辅助设计(Computer Aided Design，简称CAD)和计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，简称CAE)集成子系统，实现待开发虚拟试验平台中CAD模型和CAE模型的统一化；

所述CAD和CAE集成子系统具体为：

首先将飞行器舱段的结构特性参数化：分析一般飞行器舱段的结构形式及结构特征，其结构形式包括柱形舱段、锥形舱段、异形舱段等，其结构特征包括舱段直径、舱段长度、壁厚、前后端框厚度等；将各项结构特征参数化，以便在建模时使CAD模型和CAE模型各项结构特征参数保持一致。

然后使用CATIA参数化建立飞行器舱段三维模型：依据分析的飞行器结构特征参数，在CATIA中参数化建立对应的CAD模型，具体运用CATIA的Table表格功能。

接着使用ANSYS参数化建立飞行器舱段分析模型：运用ANSYS提供的二次开发工具APDL语言，编写APDL参数化命令流，建立与Catia中CAD模型对应的CAE分析模型，具体为CAE模型的舱段直径、舱段长度和壁厚等结构特征参数值和CAD模型完全一致。另外还需在参数化命令流中添加网格划分、求解设置等程序模块，以便在求解分析时使用。

最后基于Delphi语言开发Catia、ANSYS和待开发虚拟试验平台间的调用接口、数据交换接口：一方面可实现Catia和ANSYS调用功能，另一方面可实现Catia、ANSYS和待开发虚拟试验平台间的数据交换功能。上述接口可方便地集成到待开发虚拟试验平台中。

(2)开发数据库管理子系统，实现待开发虚拟试验平台中各项数据存储、查找、读取等功能；

所述数据库管理子系统具体为：

以Microsoft Access为后台数据存储器，使用Delphi语言，开发数据库管理系统。选用Delphi语言的原因是：Delphi语言可同时兼容应用程序、数据库管理系统的开发和应用，并可实现应用程序与数据库间稳固高效的连接，而且拥有当今世界上领先的编译器技术和数据库管理技术。

首先分析数据管理需求，分析虚拟试验平台中需要管理的数据有：待评估飞行器舱段的结构参数值和力学性能参数值，由Catia输出的CAD三维模型，由ANSYS求解输出的各阶频率值、振型图片、振型动画等结果数据；

然后使用Microsoft Access进行数据库设计：综合数据需求与存档数据，分析各数据间的关系，按照提供的功能和描述工具，设计出数据冗余少、正确反映数据关系、能满足多种查询要求的数据模型。

接着基于Delphi语言，开发数据库应用程序：可驱动数据库MicrosoftAccess进行调用，可实现各项数据存储、查找、读取等功能。

进而将数据库应用程序和Microsoft Access进行关联，集成得到数据库管理子系统。

最后，基于Delphi语言，开发数据库管理子系统与待开发虚拟试验平台间的调用接口、数据交换接口：可实现待开发虚拟试验平台中各项数据存储、查找、读取等功能。上述接口可方便地集成到待开发虚拟试验平台中。

(3)开发人机交互子系统，通过友好的人机交互界面实现待开发虚拟试验平台中各项操作；

所述人机交互子系统具体为：

首先基于Delphi语言，开发设计合理、界面友好的人机交换界面：1、运行环境参数设置界面：初始化ANSYS、CATIA和Microsoft Access的运行环境，建立虚拟试验平台与ANSYS、CATIA、Microsoft Access之间的连接；2、评估参数输入界面：输入待评估飞行器舱段的结构参数值、力学性能参数值和求解设置参数值，并将上述参数写入到Microsoft Access中；3、分析求解界面：将评估参数输入界面中各项参数作为输入参数，对CATIA进行调用并输出相应的CAD模型，对ANSYS进行调用并输出各阶频率值、振型图片、振型动画等结构数据，并将上述各项数据写入到MicrosoftAccess中；4、评估结果显示界面：输入需要评估的固有振动特性阶数，从Microsoft Access中查询输出得到对应的数据，随后在评估结果显示界面中显示此阶下飞行器舱段的频率值、振型图片以及振型动画。

然后，基于Delphi语言，开发人机交互子系统和待开发虚拟试验平台间的调用接口、数据交换接口：可实现待开发虚拟试验平台中各项操作。上述接口可方便地集成到待开发虚拟试验平台中。

(4)构建虚拟试验平台，可依据待评估舱段的特征参数和力学性能参数，快速、准确、有效地评估其固有振动特性和结构方案的可行性。

所述虚拟试验平台具体为：

基于Delphi语言，利用步骤(1)～步骤(3)中已经预留好的调用接口和数据交换接口，将CAD和CAE集成子系统、数据库管理子系统以及人机交互子系统集成到虚拟试验平台中，该平台可实现飞行器舱段的固有振动特性快速评估及优化。

(5)启动虚拟试验平台，进入运行环境参数设置界面，初始化ANSYS、CATIA和Microsoft Access的运行环境，建立虚拟试验平台与ANSYS、CATIA、Microsoft Access之间的连接；

(6)进入评估参数输入界面，输入待评估飞行器舱段的结构参数值、力学性能参数值和求解设置参数值，并将上述参数输入到Microsoft Access中；

(7)进入分析求解界面，将步骤(6)中各项参数作为输入参数，对CATIA进行调用并输出对应的CAD模型，对ANSYS进行调用并输出固有振动特性各阶频率值、振型图片、振型动画等结果数据，并将上述各项数据写入到Microsoft Access中；

(8)进入评估结果显示界面，输入需要评估的固有振动特性阶数，从Microsoft Access中查询输出得到对应的数据，随后在评估结果显示界面中显示此阶下飞行器舱段的频率值、振型图片以及振型动画，判定分析待评估飞行器舱段的性能是否满足指标要求，若满足，则在Microsoft Access中将当前所对应的飞行器结构参数值标注为最优结构参数值，进入步骤(9)，否则返回步骤(6)，在评估参数输入界面调整结构参数值，重新分析评估；

(9)在虚拟试验平台中，将步骤(8)中标注的最优结构参数值输入到Microsoft Access中，输出得到飞行器舱段的最优结构模型及相应的评估报告。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞行器舱段固有振动特性快速评估及优化方法，其特征在于，包括：

(1)开发计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)和计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，CAE)集成子系统，实现待开发虚拟试验平台中CAD模型和CAE模型的统一化：将飞行器舱段的结构特征参数化；使用CATIA参数化建立飞行器舱段CAD模型；使用ANSYS参数化建立飞行器舱段CAE模型；基于Delphi语言，开发Catia、ANSYS和待开发虚拟试验平台间的调用接口、数据交换接口；

(2)开发数据库管理子系统，实现待开发虚拟试验平台中各项数据存储、查找、读取等功能：分析待开发虚拟试验平台中数据管理需求；基于Delphi语言，以Microsoft Access为后台数据存储器，开发数据库应用程序，进而集成得到数据库管理子系统；开发数据库管理子系统和待开发虚拟试验平台间的调用接口、数据交换接口；

(3)开发人机交互子系统，通过友好的人机交互界面实现待开发虚拟试验平台中各项操作：基于Delphi语言，开发运行环境参数设置界面、评估参数输入界面、分析求解界面以及评估结果显示界面；开发人机交互子系统和待开发虚拟试验平台间的调用接口、数据交换接口；

(4)构建虚拟试验平台，该平台可依据待评估舱段的特征参数和力学性能参数，快速、准确、有效地评估其固有振动特性和结构方案的可行性：基于Delphi语言，利用上述三个子系统预留的调用接口和数据交换接口，对CAD和CAE集成子系统、数据库管理子子系统以及人机交互子子系统进行集成得到；

(5)启动虚拟试验平台，进入运行环境参数设置界面，初始化ANSYS、CATIA和Microsoft Access的运行环境，建立虚拟试验平台与ANSYS、CATIA、 Microsoft Access之间的连接；

(6)进入评估参数输入界面，输入待评估飞行器舱段的结构参数值、力学性能参数值和求解设置参数值，并将上述参数输入到Microsoft Access中；

(7)进入分析求解界面，将步骤(6)中各项参数作为输入参数，对CATIA进行调用并输出对应的CAD模型模型，对ANSYS进行调用并输出固有振动特性各阶频率值、振型图片、振型动画等结果数据，并将上述各项数据写入到Microsoft Access中；

(8)进入评估结果显示界面，输入需要评估的固有振动特性阶数，从Microsoft Access中查询输出得到对应的数据，随后在评估结果显示界面中显示此阶下飞行器舱段的频率值、振型图片以及振型动画，判定分析评估待评估飞行器舱段的性能是否满足指标要求，若满足，则在Microsoft Access中将当前所对应的飞行器结构参数值标注为最优结构参数值，进入步骤(9)，否则返回步骤(6)，在评估参数输入界面调整结构参数值，重新分析评估；

(9)在虚拟试验平台中，将步骤(8)中标注的最优结构参数值输入到Microsoft Access中，输出得到飞行器舱段的最优结构模型及相应的评估报告。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将飞行器舱段的结构特征进行参数化，具体为：

分析一般飞行器舱段的结构形式及结构特征，其结构形式包括柱状舱段、锥形舱段、异形舱段，其结构特征包括舱段直径、舱段长度、壁厚、前后端框厚度；将各项结构特征参数化以便在建模时使CAD模型和CAE模型各项结构特征参数保持一致。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用CATIA参数化建立飞行器舱段三维模型，具体为：

依据分析的飞行器结构特征参数，在CATIA中参数化建立对应的CAD模型，具体运用CATIA的Table表格功能。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用ANSYS参数化建立飞行器舱段分析模型，具体为：

运用ANSYS提供的二次开发工具APDL语言，编写参数化命令流，建立与Catia中CAD模型对应的CAE分析模型，具体为CAE模型的舱段直径、舱段长度和壁厚等结构特征参数值和CAD模型完全一致；另外还在参数化命令流中添加网格划分、求解设置等程序模块，以便在求解时使用。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预留Catia、ANSYS和虚拟试验平台间的调用接口、数据交换接口，具体为：

开发Catia、ANSYS和虚拟试验平台间的调用接口、数据交换接口，一方面可实现Catia和ANSYS调用功能，另一方面可实现Catia、ANSYS和待开发虚拟试验平台间的数据交换功能，上述接口可集成到虚拟试验平台中。

6.如权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中运行环境参数设置界面，具体用于：初始化ANSYS、CATIA和Microsoft Access的运行环境，建立虚拟试验平台与ANSYS、CATIA、Microsoft Access之间的连接。

7.如权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述评估参数输入界面，具体用于：实现待评估飞行器舱段结构参数值、力学性能参数值和求解设置参数值的输入，将上述待评估参数写入到Microsoft Access中。

8.如权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述分析求解界面，具体用于：将评估参数输入界面中各项参数作为输入参数，对CATIA进行调用并输出相应的CAD模型模型，对ANSYS进行调用并输出各阶频率值、振型图片、振型动画等结构数据，并将上述各项数据写入到Microsoft Access中。

9.如权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述评估结果显示界 面，具体用于：将需要评估的固有振动特性阶数作为输入，从Microsoft Access中查询输出得到对应的数据，随后在评估结果显示界面中显示此阶下飞行器舱段的频率值、振型图片以及振型动画等。

10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(8)中判定分析待评估飞行器舱段的性能是否满足指标要求，具体为：读取Microsoft Access存储的相关数据，将飞行器舱段的各阶频率值、相应振型图片、动画等显示到评估结果显示界面中，判定分析结果是否达到性能指标。