CN107491616A

CN107491616A - 一种适用于格栅构型舵面的结构有限元参数化建模方法

Info

Publication number: CN107491616A
Application number: CN201710737781.6A
Authority: CN
Inventors: 宋晨; 陈晨; 杨超
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2017-08-24
Filing date: 2017-08-24
Publication date: 2017-12-19
Anticipated expiration: 2037-08-24
Also published as: CN107491616B

Abstract

本发明提出了一种适用于格栅构型舵面的结构有限元参数化建模方法，其采用了“基于有限元模型的映射变换”方法以及“由二维网格参数化剖分向三维外形展开”的参数化途径。该方法包括：针对栅格构型舵面进行二维平面投影，提取特征参数，进行二维参数化剖分；建立二维与三维有限元网格的映射关系，设计了有限元网格点的编号规则，实现二维网格到三维外形展开；通过计算机高级语言程序，实现格栅构型舵面的结构有限元参数化建模流程。本发明在概念设计或初步设计阶段能极大提高结构建模效率，人力和时间成本较低，自编程序调参便捷，分析适用性强，得到的模型适用于结构振动，结构动力学等的分析计算，适用于格栅构型的舵面、机翼。

Description

一种适用于格栅构型舵面的结构有限元参数化建模方法

技术领域

本发明涉及一种舵面的结构有限元参数化建模方法，属于飞行器结构有限元建模领域，适用于格栅构型的舵面有限元参数化建模。

背景技术

飞行器设计是一项庞大复杂的工程，有着研制周期长、研制费用高、投入人力大等特点。新飞行器的研制通常经过论证阶段，方案阶段(概念设计和初步设计阶段)、工程研制阶段(详细设计阶段)，设计定型阶段以及生产定型阶段。其中论证阶段和方案阶段为主要的设计阶段，这两个设计阶段完成后，基本确定了飞行器的整个构型，即飞行器构型的确定程度达到70％-80％。但是在这两个阶段中，各种飞行器外形、结构等参数具有还未完全确定，根据不同的参数需要分别建立相应的模型，所需的人力和时间成本比较高。参数化的模型能够满足不同的设计参数，而且能大大提高这两个阶段中的设计效率。因此参数化的模型是设计过程中所需要考虑的。

舵面是飞行器实现操纵的典型部件。格栅构型舵面是飞行器中最为常用的舵面，也是影响飞行器动力学特性最为关键的部件。传统的舵面动力学分析工作往往处于飞行器研制的后期，需要依据设计完成的舵面结构建立准确的有限元分析模型，此时若动力学性能不满足使用要求，结构已难以更改或付出较高的重量代价。另一方面，在飞行器研制的早期往往结构参数尚不确定，若要进行动力学分析，每一轮舵面外形参数的调整都需要重新建立结构有限元模型，该过程随伴大量繁冗、重复的操作，严重影响飞行器研制的进度。上述设计中存在的问题与矛盾都迫切需要一种能够参数化描述的舵面快速有限元建模方法，以适应飞行器研制进度的需要。

从公开文献中的方法来看，参数化建模方法的主流是基于商业软件的二次开发，其次是通过计算机高级语言实现模型参数化描述。商业软件多具有几何造型和分析功能模块，对其进行二次开发可与软件的模块及功能相合，具有一定的优势。但是模型的参数化实现亦受到数据接口及模型描述方式的制约，对于复杂的真实模型参数化实现存在困难；计算机高级语言能从几何造型的底层出发，算法的设计具有灵活性，参数化描述不受软件模块功能和模型的复杂性限制，但是方法的通用性是其面临的主要挑战。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种适用于格栅构型舵面的参数化建模方法，其特征在于包括：

1)将舵面的模型投影到二维的投影平面上；

2)提取投影平面内的模型特征参数；

3)根据所述模型特征参数，对投影平面内的舵面结构进行参数化网格剖分，形成二维网格；

4)通过变换矩阵将二维网格映射到三维空间，得到模型的三维网格；

5)对所述三维网格的网格点进行编号；

6)对所述三维网格进行属性划分；

7)建立舵面模型的约束条件，选取将要被约束的网格点，设置约束自由度。

附图说明

图1是本发明的流程框图；

图2是模型投影过程示意图；

图3是平面内格栅构型舵面示意图；

图4是二维平面网格划分；

图5是二维网格向三维空间映射；

图6是网格点编号规则；

图7显示了建模对象的一个实例；

图8显示了图7所示的建模对象的舵面材料参数和外形尺寸；

图9和图10分别为应用本发明的上述方法得到的图7的建模对象的有限元模型；

图11为图7中的舵面1/4弦线后掠角分别取20°、33°和45°时的有限元模型。

图12和图13分别显示了颤振计算曲线的V-g图和V-f图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种能够兼顾模型复杂性和通用性的格栅构型舵面的结构有限元参数化建模方法。

根据本发明的一个实施例，提出了一种基于有限元和映射变换的“由二维网格参数化剖分向三维外形展开”的参数化描述方法，通过自编计算机高级语言程序，生成.bdf格式的MSC.PATRAN软件的模型文件，实现格栅构型舵面的结构有限元参数化建模，具体包括以下步骤：

第一步，调整舵面模型视图，找到合适的投影面，能够参数化描述二维平面内的舵面结构，将舵面模型投影到该投影面上；

第二步，根据第一步中二维平面内舵面结构的投影，提取投影面内的模型特征参数，特征参数为展长、展弦比、根梢比、1/4弦线后掠角、翼根上梁的站位、翼梢上梁的站位、翼肋与机身夹角、前梁上翼肋的站位；

第三步，由第二步中的特征参数，通过简单计算能够得到二维平面内的舵面外形参数化描述；对二维平面内的舵面结构进行参数化网格剖分，采用沿舵面展向和弦向的参考网格长度对二维网格疏密进行控制；如将投影区域划分为m×n的网格，则投影区域的网格点可写成如下矩阵：

第四步，通过对舵面模型的轮廓外形进行提取，得到不同截面处的高度函数h(x,y)，即翼型函数；采用位置向量的齐次坐标表示方法，根据高度函数h(x,y)和第三步中投影区域的网格点的坐标分布，通过变换矩阵将二维网格映射到三维空间，得到模型的三维网格，计算公式如下：

式中，变换矩阵T(即映射法则)为：

变换前投影区域网格点列向量P_ij为：

P_ij＝[x_j y_j 0 1]^T

变换后三维模型上的网格点列向量P_ij ^*为：

第五步，对第四步生成的三维网格点进行编号，设计参数化的编号规则：先对结构交点处进行编号，再对结构自由边进行编号，保证网格点与编号呈一一对应的关系；

第六步，对映射到三维空间中的网格进行单元属性划分，各属性分区的材料和厚度均能分别定义，同一属性分区的材料和厚度相同，不同属性分区的材料和厚度可以不同，用含参量的形式定义单元属性，便于单元属性的划分；

第七步，建立舵面模型的约束条件，选取第四步中的参数化网格点，设置约束自由度；

第八步，通过高级程序语言(如MATLAB)编程，将第三步到第七步的算法集成并运行程序，得到.bdf格式的模型文件，将.bdf文件导入到MSC.PATRAN软件，生成参数化模型。

本发明的有益效果包括：

1.本发明提出了一种基于有限元和映射变换的“由二维网格参数化剖分向三维外形展开”的参数化描述方法，能够快速准确地对格栅构型舵面进行参数化描述；

2.本发明有效地提高了格栅构型舵面在概念设计或初步设计阶段时建模效率，大大节约了设计及更改设计尺寸时所需的时间和人力成本；

3.本发明采用自编算法实现结构有限元参数化建模，程序可修改性强，可根据分析需求增加分析模块，实现有限元参数化建模和分析集成。

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

本发明提出了一种格栅构型舵面的结构有限元参数化建模方法，其基于有限元和映射变换的“由二维网格参数化剖分向三维外形展开”的参数化描述方法，通过自编计算机高级语言程序，生成.bdf格式的MSC.PATRAN软件的模型文件。

以某格栅构型舵面为例，说明根据本发明的格栅构型舵面的结构有限元参数化建模方法进行的结构有限元参数化建模，其建模流程如图1所示，具体实施步骤为：

第一步，找到合适的投影面，使其能够参数化描述二维平面内的舵面结构，将舵面模型投影到该投影面上，投影过程如图2所示；图2中选取xOy平面为投影面，阴影部分为舵面的二维投影；

第二步，根据第一步中二维平面内舵面结构的投影，提取投影面内的模型特征参数，包括：展长、展弦比、根梢比、1/4弦线后掠角、翼根上梁的站位、翼梢上梁的站位、翼肋与机身夹角、前梁上翼肋的站位；用这些参数描述二维舵面的构型。舵面在二维平面内的投影如图3所示，图中Ls为展长，Λ为展弦比，η为梢根比；

第三步，根据舵面在二维平面内的构型，进行二维网格参数化划分，如图4所示(图4的舵面也就是图7所示的实例)。图4中选取一块典型格栅区域的二维网格划分进行说明，图4中黑色三角形、白色三角形和黑色圆点分别为沿x轴自由边、沿y轴自由边和结构交点处的网格种子，通过网格种子的连接形成网格，网格交点即为网格点，如将投影区域划分为m×n的网格，则投影区域的网格点可写成如下矩阵：

第四步，通过对舵面模型的轮廓外形进行提取，得到不同截面处的高度函数h(x,y)，即翼型函数，如图5所示；图5中，白色三角形为沿y轴自由边的网格点，黑色圆点为结构交点处的网格点；通过位置向量的齐次坐标表示方法，将二维平面的网格点映射到三维空间中，得到三维网格点，将三维网格点进行联结，从而得到模型的三维网格；位置向量的齐次坐标表示方法具体如下：

式中，变换矩阵T(即映射法则)为：

变换前投影区域网格点列向量P_ij为：

P_ij＝[x_j y_j 0 1]^T

变换后三维模型上的网格点列向量P_ij ^*为：

第五步，对三维网格点进行编号，设计参数化的编号规则，如图6所示；以格栅区域为例，进行参数化编号规则描述：先对结构交点进行提取并编号，再对结构自由边进行网格点布置及编号，如图6所示，图中黑色圆点表示结构交点处的网格点，黑色三角形、白色三角形和白色圆点分别表示沿x轴方向自由边、沿y轴方向自由边和沿z轴方向自由边的网格点；

第六步，对映射到三维空间中的网格进行单元属性划分，各属性分区的材料和厚度均被分别定义，同一属性分区的材料和厚度相同，不同属性分区的材料和厚度可以不同，用含参量的形式定义单元属性，便于单元属性的划分；

为了验证本发明提出的参数化建模方法的有效性以及对不同尺寸模型的适用性，取某飞行器格栅构型舵面作为建模对象进行验证，建模对象的一个实例如图7所示(图7的实例也就是图4的舵面)，图中为清晰显示舵面内部结构，隐藏了上蒙皮；舵面的材料参数和模型外形尺寸如图8所示，图中L_s为展长，Λ为展弦比，η为梢根比，α为1/4弦线后掠角。

图9和图10分别为应用本发明的上述方法得到的图7的建模对象的有限元模型。图9和图10分别为舵面的表层蒙皮和内部骨架的有限元网格。图11为图7中的舵面1/4弦线后掠角分别取20°、33°和45°时的有限元模型。由图11可得，对于不同尺寸的格栅构型舵面有着良好的适用性。

为了验证参数化模型的分析适用性，对由本发明方法得到的图10的参数化模型，进行颤振分析。计算条件如下：

舵面约束条件为根部固支，采用ZONA51方法计算非定常气动力，p-k法求解颤振行列式，参考马赫数Ma＝1.5，大气密度为ρ＝1.225kg/m³。颤振计算曲线V-g图和V-f图分别如图12和图13所示。图12中，曲线在速度为1856m/s时由负到正，发生穿越，可得颤振速度为1856m/s，远大于飞行速度，满足了设计要求；图13中，在第一和第三阶模态发生耦合，为经典的弯扭耦合形式。图12和13所示的结果验证了本发明方法得到的参数化模型的分析适用性。

Claims

1.一种适用于格栅构型舵面的参数化建模方法，其特征在于包括：

1)将舵面的模型投影到二维的投影平面上；

2)提取投影平面内的模型特征参数；

5)对所述三维网格的网格点进行编号；

6)对所述三维网格进行属性划分；

2.根据权利要求1所述的参数化建模方法，其特征在于所述模型特征参数包括展长、展弦比、根梢比、1/4弦线后掠角、翼根上梁的站位、翼梢上梁的站位、翼肋与机身夹角、前梁上翼肋的站位。

3.根据权利要求1或2所述的参数化建模方法，其特征在于步骤3)包括：

由模型特征参数，通过计算得到投影平面内的模型外形的参数化描述；

对投影平面内的模型结构进行参数化网格剖分，采用沿舵面展向和弦向的参考网格长度对二维网格的疏密进行控制，将投影区域划分为m×n的网格，把投影平面上模型所在区域的网格点写成矩阵：

4.根据权利要求3所述的参数化建模方法，其特征在于步骤4)包括：

通过对舵面模型的轮廓外形进行提取，得到不同截面处的高度函数h(x,y)，该高度函数h(x,y)即翼型函数；

采用位置向量的齐次坐标表示方法，根据高度函数h(x,y)和步骤3)中投影区域的网格点的坐标分布，通过变换矩阵将二维网格映射到三维空间，得到模型的三维网格，变换公式如下：

<mrow> <mi>T</mi> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> <mo>*</mo> </msubsup> </mrow>

式中，变换矩阵T即映射法则为：

变换前投影区域网格点列向量P_ij为：

P_ij＝[x_j y_j 0 1]^T

变换后三维模型上的网格点列向量P_ij ^*为：

5.根据权利要求4所述的参数化建模方法，其特征在于：

步骤5)包括对步骤4)生成的三维网格点进行编号，该编号所依照的编号规则是：先对结构交点处进行编号，再对结构自由边进行编号，保证网格点与编号呈一一对应的关系；所述步骤6)包括所述三维网格进行单元属性划分，分别定义各属性分区的材料和厚度，同一属性分区的材料和厚度相同，不同属性分区的材料和/或厚度可以不同；

所述步骤7)包括建立舵面模型的约束条件，选取第四步中的参数化网格点，设置约束自由度。