CN113094805B - 结构分析参数化模型生成系统及其生成方法 - Google Patents

结构分析参数化模型生成系统及其生成方法 Download PDF

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Abstract

一种结构分析参数化模型生成系统及其生成方法，包括：制定模块，所述制定模块用于进行参数化建模规范制定；实现模块，所述实现模块用于进行参数化建模实现关键技术研究；开发模块，所述开发模块用于进行开发参数化建模软件。有效避免了现有技术中航空航天领域产品开发过程的产品概念设计阶段模型不能通用的困难导致了迭代优化的低效、缺乏对应的知识而无法有效的实施优化意图的缺陷。

Description

结构分析参数化模型生成系统及其生成方法
技术领域
本发明提到结构分析技术领域，具体涉及一种结构分析参数化模型生成系统及其生成方法，尤其涉及一种航空航天领域方面的结构分析参数化模型生成系统及其生成方法。
背景技术
航空航天是人类拓展大气层和宇宙空间的产物。经过百余年的快速发展，航空航天已经成为21世纪最活跃和最有影响的科学技术领域之一，该领域取得的重大成就标志着人类文明的最新发展，也表征着一个国家科学技术的先进水平。航空航天领域产品开发过程通常包括概念设计、详细设计、生产制造等多个阶段，在产品概念设计阶段需要进行多方案对比择优和选定方案优化改进，以往通过经验公式和数据图表进行性能和重量估算的方法越来越无法满足当前和未来高空高速飞行器的发展要求，在方案迭代过程中采用多学科优化技术已经是产品发展的必然要求，针对这一领域的学术研究也已产生了多项理论成果，工业界也开发了相关的MDO优化框架软件，但在实际航空航天产品设计过程中多学科优化得到应用和产生实质效益的情况在国内还普遍缺乏，其主要原因有以下几点:
1.长期形成的专业领域条块分割的工作模式，使得各专业领域已形成独立的技术体系和标准软件，专业间模型无法互通。
2.由于无法互通造成重复建模现象普遍存在，无法进行设计-分析 -优化-变更的高效迭代。
3.某一专业当需要采取专业外的手段方法评估本专业的设计合理性时，由于缺乏跨专业综合分析的知识和能力，而无从开展工作。
其中典型的模型壁垒存在于结构设计和结构分析专业之间，结构设计专业使用CAD软件设计产品数模，而结构分析专业使用CAE软件进行强度、刚度、气动弹性等一系列专业分析，模型不能通用的困难导致了迭代优化的低效；而上游的总体专业需要综合考虑结构设计和分析进行总体方案的优化，常常因为缺乏对应的知识而无法有效的实施优化意图。
为了解决专业间的迭代效率和降低专业建模分析难度，需要建立一套行之有效的参数化建模方法和软件工具。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种结构分析参数化模型生成系统及其生成方法，有效避免了现有技术中航空航天领域产品开发过程的产品概念设计阶段模型不能通用的困难导致了迭代优化的低效、缺乏对应的知识而无法有效的实施优化意图的缺陷。
为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种结构分析参数化模型生成系统及其生成方法的解决方案，具体如下：
一种结构分析参数化模型生成系统，包括：
制定模块，所述制定模块用于进行参数化建模规范制定；
实现模块，所述实现模块用于进行参数化建模实现关键技术研究；
开发模块，所述开发模块用于进行开发参数化建模软件。
进一步的，所述制定模块还用于根据飞机产品的结构设计与分析领域知识，梳理出适用于概念设计阶段的结构参数化设计规则和有限元模型生成规则，形成适用性强的参数化设计及模型生成规范。
进一步的，所述制定模块还用于前中后机身和主机翼尾翼分别建立各自的设计规范：
前机身包括驾驶舱和雷达罩的设计；
中机身包括机身框和各个舱段的设计；
后机身包括隔框和发动机舱的设计；
机翼包括梁、肋和长桁和蒙皮的设计；
所述制定模块还用于根据所述设计规范以此形成统一自洽的节点和单元编号规则；
所述制定模块还用于制定了气动载荷分配方法和集中质量法的质量分配规则。
进一步的，所述实现模块还用于对飞机产品的输入曲面缺陷处理方法的研究；还用于对飞机产品的实体模型生成与参数化调整方法的研究；还用于对飞机产品的节点与网格生成方法的研究；还用于对飞机产品的气动载荷插值算法的研究；还用于对飞机产品的集中质量的质量分配方法的研究。
进一步的，所述开发模块还用于基于CATIA CAA开发了参数化建模软件，该软件能够实现飞机的机翼机身部件建模，网格生成，材料及截面属性设置，集中质量分配和气动载荷插值，并输出可供强度计算和优化分析的标准BDF格式文件。
一种结构分析参数化模型生成系统的生成方法，包括：
步骤1：参数化建模规范制定；
步骤2：参数化建模实现关键技术研究；
步骤3：开发参数化建模软件。
进一步的，所述参数化建模规范制定的方法，包括：根据飞机产品的结构设计与分析领域知识，梳理出适用于概念设计阶段的结构参数化设计规则和有限元模型生成规则，形成适用性强的参数化设计及模型生成规范。
进一步的，所述结构参数化设计规则和有限元模型生成规则是按照飞机产品组成结构进行层次分解，具体包括：
前中后机身和主机翼尾翼分别建立各自的设计规范：
前机身包括驾驶舱和雷达罩的设计；
中机身包括机身框和各个舱段的设计；
后机身包括隔框和发动机舱的设计；
机翼包括梁、肋和长桁和蒙皮的设计；
根据所述设计规范以此形成统一自洽的节点和单元编号规则；
制定了气动载荷分配方法和集中质量法的质量分配规则。
进一步的，所述参数化建模实现关键技术研究的方法，包括：
对飞机产品的输入曲面缺陷处理方法的研究；
对飞机产品的实体模型生成与参数化调整方法的研究；
对飞机产品的节点与网格生成方法的研究；
对飞机产品的气动载荷插值算法的研究；
对飞机产品的集中质量的质量分配方法的研究。
进一步的，所述开发参数化建模软件的方法，包括：基于CATIA CAA开发了参数化建模软件，该软件能够实现飞机的机翼机身部件建模，网格生成，材料及截面属性设置，集中质量分配和气动载荷插值，并输出可供强度计算和优化分析的标准BDF格式文件。
本发明的有益效果为：
本发明形成的规范实用性强，开发的软件操作简单，通过简单的输入定位信息即完成机翼或机身部件的建模，一键生成和输出网格，对使用者专业知识和软件操作要求低，相比较于同领域的CAD-CAE 生成方案，本发明突出的特点是将严格的编号规则贯彻在从参数化建模到网格生成的各环节，当用户增删模型组件时，编号也随之自动调整；生成的网格仅通过编号即可快速理解其所属的部段区域，对后续使用其它软件进行分区优化提供了格式良好易于解读的输入数据。有效避免了现有技术中航空航天领域产品开发过程的产品概念设计阶段模型不能通用的困难导致了迭代优化的低效、缺乏对应的知识而无法有效的实施优化意图的缺陷。
附图说明
图1是本发明的结构分析参数化模型生成系统的生成方法的原理图。
图2是本发明的所述A320飞机的外形曲面图。
图3是本发明的所述A320飞机的翼面结构节点编号的示意图。
图4是本发明的所述A320飞机的翼面结构单元编号说明的示意图。
图5是本发明的所述A320飞机的结构建模的示意图。
图6是本发明的所述A320飞机的网格生成的示意图。
图7是本发明的所述A320飞机的优化结果文件的界面图。
图8是本发明的所述A320飞机的优化结果云图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地表示。
如图1-图8所示，结构分析参数化模型生成系统，包括：
制定模块，所述制定模块用于进行参数化建模规范制定；
实现模块，所述实现模块用于进行参数化建模实现关键技术研究；
开发模块，所述开发模块用于进行开发参数化建模软件。
所述制定模块还用于根据飞机产品的结构设计与分析领域知识，梳理出适用于概念设计阶段的结构参数化设计规则和有限元模型生成规则，形成适用性强的参数化设计及模型生成规范。
所述制定模块还用于前中后机身和主机翼尾翼分别建立各自的设计规范：
前机身包括驾驶舱和雷达罩的设计；
中机身包括机身框和各个舱段的设计；
后机身包括隔框和发动机舱的设计；
机翼包括梁、肋和长桁和蒙皮的设计；
所述制定模块还用于根据所述设计规范以此形成统一自洽的节点和单元编号规则，使得生成的节点单元能够根据编号定位自身在总体布置中的位置，为后续优化设计提供重要参考信息；
所述制定模块还用于制定了气动载荷分配方法和集中质量法的质量分配规则。
所述实现模块还用于对飞机产品的输入曲面缺陷处理方法的研究；还用于对飞机产品的实体模型生成与参数化调整方法的研究；还用于对飞机产品的节点与网格生成方法的研究；还用于对飞机产品的气动载荷插值算法的研究；还用于对飞机产品的集中质量的质量分配方法的研究。
所述开发模块还用于基于CATIA CAA开发了参数化建模软件，该软件能够实现飞机的机翼机身部件建模，网格生成，材料及截面属性设置，集中质量分配和气动载荷插值，并输出可供强度计算和优化分析的标准BDF格式文件。
所述结构分析参数化模型生成系统的生成方法，包括：
步骤1：参数化建模规范制定；
步骤2：参数化建模实现关键技术研究；
步骤3：开发参数化建模软件。
所述参数化建模规范制定的方法，包括：根据飞机产品的结构设计与分析领域知识，梳理出适用于概念设计阶段的结构参数化设计规则和有限元模型生成规则，形成适用性强的参数化设计及模型生成规范。
所述结构参数化设计规则和有限元模型生成规则是按照飞机产品组成结构进行层次分解，具体包括：
前中后机身和主机翼尾翼分别建立各自的设计规范：
前机身包括驾驶舱和雷达罩的设计；
中机身包括机身框和各个舱段的设计；
后机身包括隔框和发动机舱的设计；
机翼包括梁、肋和长桁和蒙皮的设计；
根据所述设计规范以此形成统一自洽的节点和单元编号规则，使得生成的节点单元能够根据编号定位自身在总体布置中的位置，为后续优化设计提供重要参考信息；
制定了气动载荷分配方法和集中质量法的质量分配规则。
所述参数化建模实现关键技术研究的方法，包括：
对飞机产品的输入曲面缺陷处理方法的研究；
对飞机产品的实体模型生成与参数化调整方法的研究；
对飞机产品的节点与网格生成方法的研究；
对飞机产品的气动载荷插值算法的研究；
对飞机产品的集中质量的质量分配方法的研究。
所述开发参数化建模软件的方法，包括：基于CATIA CAA开发了参数化建模软件，该软件能够实现飞机的机翼机身部件建模，网格生成，材料及截面属性设置，集中质量分配和气动载荷插值，并输出可供强度计算和优化分析的标准BDF格式文件。
本发明聚焦于概念设计阶段的结构设计-结构分析专业间的数据互通问题，通过梳理概念设计阶段结构设计和建模分析知识形成参数化建模规范，依据规范开发了从参数化结构模型生成有限元模型的软件，软件简单易用，无需使用者深入学习有限元建模分析知识，可供概念设计阶段总体和结构设计专业人员应用此软件生成参数化有限元模型，进而进行结构强度分析及重量优化等。
以下以A320飞机的机翼设计为例说明本发明的所述结构分析参数化模型生成系统的生成方法的实施过程:
步骤1-1:A320飞机的外形如图2所示。
A320飞机的机翼结构由上下蒙皮，展向分布的肋和梁、长桁组成，在工程实践中，蒙皮、肋和梁腹板均可用CQUAD4/CTRIA3单元表示，长桁和肋、梁上下缘条均用CROD单元表示。
根据有限元软件的输入格式要求及国外先进工程实践经验，总结形成以下编号规则：
翼面部件编号规则如下：
1.节点编号规则：
节点的编号使用8位数字表示，如图3所示：
具体内容如下：
机翼位置：该位置表示是左机翼还是右机翼，其中，2代表左机翼，3代表右机翼；
部件编号：该位置表示部件的实际编号，例如19号肋；
类型+位置：利用该位表示部件的具体类型，以及所处的具体位置，如表1所示：
表1
2.单元编号规则：
单元的编号使用8位数字表示，如图4所示；
单元的编号规则除第一位与节点不同外，其他均相同。
单元类型具体值如表2所示：
表2
单元类型 值
杆单元 0
板单元 1
3.编号系统开发：
基于上述编号规则通过CATIA/CAA技术开发编号系统，当用户进行翼面结构布置时，对肋、长桁、梁进行增删编辑时，后台调用编号系统生成符合上述规则的编号并集中存储，作为后续生成有限元节点单元编号的基础。
步骤1-2：结构建模：
通过CATIA/CAA开发CATIA扩展工具条，提供结构建模的各个功能菜单，包括对曲面进行区域分割、缺陷修补等功能。利用CATIA P owerCopy技术创建了典型部件如梁、长桁、肋的参数化模板，开发了模板数据库管理上述模板。当用户通过菜单进行翼面结构布置时，根据外部约束和输入的参数，对上述模板进行实例化，即可在上下蒙皮之间批量生成梁、长桁、肋的实体部件。
步骤1-3：通过CATIA/CAA技术开发了参数化CAD模型到有限元分析模型的生成模块，包含常用的单元CQUAD4/CTRIA、CROD 等单元的定义和Node节点定义，当用户通过菜单调用此生成模块，即可通过遍历算法，遍历翼面结构的每一种典型部件，对部件进行分解，并调用编号系统为分解后的节点进行编号和存储，再通过节点来实例化部件分解后的单元，同样需要使用编号系统为单元进行编号和存储，最后将包含节点和单元的网格模型输出为标准的BDF格式文件。
步骤1-4：通过Python/QT开发了优化模型生成工具，将BDF格式网格模型与excel格式的优化变量设置模板相结合，在BDF基础上增加优化变量定义、约束和目标函数定义等，转换为进行优化计算的模型，通过调用第三方优化软件进行优化分析，在第三方优化软件中显示优化结果云图，并可以查看优化结果文件，验证网格模型生成的正确性。
以上以用实施例表示的方式对本发明作了描述，本领域的维修员工应当理解，本公开不限于以上描述的实施例，在不偏离本发明的范围的情况下，能够做出各种变化、改变和替换。

Claims (6)

1.一种结构分析参数化模型生成系统，其特征在于，包括：制定模块，所述制定模块用于进行参数化建模规范制定；所述制定模块还用于根据飞机产品的结构设计与分析领域知识， 梳理出适用于概念设计阶段的结构参数化设计规则和有限元模型生成规则，形成适用性强的参数化设计及模型生成规范；所述制定模块还用于前中后机身和主机翼尾翼分别建立各自的设计规范：前机身包括驾驶舱和雷达罩的设计；中机身包括机身框和各个舱段的设计；后机身包括隔框和发动机舱的设计；机翼包括梁、肋和长桁和蒙皮的设计；所述制定模块还用于根据所述设计规范以此形成统一自洽的节点和单元编号规则；所述制定模块还用于制定了气动载荷分配方法和集中质量法的质量分配规则；实现模块，所述实现模块用于进行参数化建 模实现关键技术研究；开发模块，所述开发模块用于进行开发参数化建模软件。
2.根据权利要求 1 所述的结构分析参数化模型生成系统，其特征在于，所述实现模块还用于对飞机产品的输入曲面缺陷处理方法的研究；还用于对飞机产品的实体模型生成与参数化调整方法的研究；还用于对飞机产品的节点与网格生成方法的研究；还用于对飞机产品的气 动载荷插值算法的研究；还用于对飞机产品的集中质量的质量分配方法的研究。
3.根据权利要求 1 所述的结构分析参数化模型生成系统，其特征在于，所述开发模块还用于基于 CATIA CAA 开发了参数化建模软件，该软件能够实现飞机的机翼机身部件建模，网格生成，材料及截面属性设置，集中质量分配和气动载荷插值，并输出可供强度计算和优化分析的标准 BDF 格式文件。
4.一种结构分析参数化模型生成系统的生成方法，其特征在于，包括：步骤 1：参数化建模规范制定；所述参数化建模规范制定的方法，包括：根据飞机产品的结构设计与分析领域 知识，梳理出适用于概念设计阶段的结构参数化设计规则和有限元模型生成规则，形成适用性强的参数化设计及模型生成规范；所述结构参数化设计规则和有限元模型生成规则是按照飞机产品组成结构进行层次分解，具体包括：前中后机身和主机翼尾翼分别建立各自的设计规范：前机身包括驾驶舱和雷达罩的设计；中机身包括机身框和各个舱段的设计；后机身包括隔框和发动机舱的设计；机翼包括梁、肋和长桁和蒙皮的设计；根据所述设计规范以此形成统一自洽的节点和单元编号规则；制定了气动载荷分配方法和集中质量法的质量分配规则； 步骤 2：参数化建模实现关键技术研究；步骤 3：开发参数化建模软件。
5.根据权利要求 4 所述的结构分析参数化模型生成系统的生成方法，其特征在于，所述参数化建模实现关键技术研究的方法，包括：对飞机产品的输入曲面缺陷处理方法的研究；对飞机产品的实体模型生成与参数化调整方法的研究；对飞机产品的节点与网格生成方法的研究；对飞机产品的气动载荷插值算法的研究；对飞机产品的集中质量的质量分配方法的研究。
6.根据权利要求 4所述的结构分析参数化模型生成系统的生成方法，其特征在于，所述开发参数化建模软件的方法，包括：基于 CATIA-CAA 开发了参数化建模软件，该软件能够实现飞机的机翼机身部件建模，网格生成，材料及截面属性设置，集中质量分配和气动载荷插值，并输出可供强度计算和优化分析的标准 BDF 格式文件。
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