CN116842781A - 一种水平尾翼结构有限元模型的质量检查方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于飞机质量工程领域，特别涉及一种水平尾翼结构有限元模型的质量检查方法按照给定的基本质量要求构建水平尾翼结构有限元模型；对水平尾翼结构有限元模型进行版本状态管理，包括：对水平尾翼结构有限元模型文件的命名，以及附加所述水平尾翼结构有限元模型文件的说明文件；基于所述基本质量要求构建检查要求，对水平尾翼结构有限元模型按照检查要求检查并标记；对标记不符合检查要求的模型，本申请对水平尾翼结构有限元模型进行全面、系统的质量检查。
Description
技术领域
本申请属于飞机质量工程领域，特别涉及一种水平尾翼结构有限元模型的质量检查方法。
背景技术
水平尾翼简称平尾，是飞机的重要部件之一，安装在机身上。平尾是飞机纵向平衡、稳定和操纵的翼面。平尾左右对称的布置在飞机尾部，基本为水平位置。翼面的前半部通常是固定的，称为水平安定面，后半部铰接在安定面后面，可操纵上下偏转，称为升降舵。现代飞机水平尾翼结构复杂，新材料使用率高，结构设计难度大。
有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)利用数学近似方法对真实的飞机结构(几何和载荷工况)进行模拟。利用简单而又相互作用的单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。目前，飞机有限元分析已成为现代飞机设计流程中必不可少的一环，对于结构发图、强度校核均具有至关重要的指导意义。水平尾翼有限元模型的质量直接决定了该有限元模型的仿真准确程度，其单元是否规范、约束是否准确、材料属性是否正确、载荷施加是否合理等等均对最后的仿真结果正确与否具有决定意义。可以说，水平尾翼结构有限元模型如果出现严重质量问题，那么该型飞机的水平尾翼设计一定失败，甚至会造成灾难性事故，所以水平尾翼结构有限元模型的质量检查具有重要的意义。目前，主流飞机设计公司通常使用成熟的商用有限元分析软件如Patran、Nastran、Abacus等对飞机结构进行建模，从分析飞机整体或结构件的传力方式、应力水平到细节部位的应力分析的方法应有尽有。但是，结构、强度设计师在建立水平尾翼有限元分析模型后，没有成熟的质量检查方法，无法全面、系统的对水平尾翼有限元模型进行质量检查。综上所述，水平尾翼结构有限元模型质量检查的方法十分必要。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供了一种水平尾翼结构有限元模型的质量检查方法，其特征在于，包括：
步骤一、按照给定的基本质量要求构建水平尾翼结构有限元模型；
步骤二、对水平尾翼结构有限元模型进行版本状态管理，包括：对水平尾翼结构有限元模型文件的命名，以及附加所述水平尾翼结构有限元模型文件的说明文件；
步骤三、基于所述基本质量要求构建检查要求，对水平尾翼结构有限元模型按照检查要求检查并标记；
检查类型包括：基本质量检查、坐标系系统检查、模型单位检查、材料检查、属性检查、载荷与约束检查、建模细节质量检查；
步骤四、对标记不符合检查要求的模型进行修改并返回步骤三，对符合全部基本检查要求的模型进行保存输出。
优选的是，水平尾翼结构有限元模型的基本质量要求包括：水平尾翼结构有限元模型的针对于坐标系系统、模型单位、材料、属性、载荷与约束的质量要求；水平尾翼结构有限元模型的建模细节质量要求。
优选的是，，基本质量检查，包括S201、根据有限元模板文件判断所述水平尾翼结构有限元模型中的各个属性是否统一；S202、判断所述水平尾翼结构有限元模型与实际结构是否遵循力学等效原则，力学等效包括结构受力、传力路线和支持条件；S203、实际结构中的受力构件是否与所述水平尾翼结构有限元模型的网格和单元一一对应。
优选的是，，坐标系系统检查，包括：检查坐标原点是否在机头处，X轴是否沿机身轴线逆航向为正，Y轴是否垂直向上为正，Z轴是否指向左翼为正，如有局部坐标系，是否在建模数据中给出说明。
优选的是，，模型单位检查，检查有限元模型是否采用自封闭单位体系。
优选的是，，材料检查包括：检查材料是否统一定义材料名称与性能，其中各个材料检查标准包括：当材料为金属材料，使用各向同性本构模型，填写弹性模量、泊松比、密度、热线胀系数，剪切模量选填，其余参数不填；
当材料为复合材料单层，使用2D正交各向异性本构模型，填写纵向弹性模量E11、横向弹性模量E22、主泊松比和面内剪切模量G12，模量数据使用室温干态材料许用值的拉压平均值，密度按实际填写，热膨胀系数填写热线胀系数，其它参数不填。
当材料为复合材料层压板，使用Composite/Laminate模型，按结构类型分别构建，构建全机可能使用到的全部层板，不同结构分别构建属性和命名。
优选的是，，属性检查包括，检查属性命名格式是否体现部件、构件、材料、单元类型、属性值的信息；左右侧对称单元的属性是否单独构建；且是否指定材料方向。
优选的是，，载荷与约束检查满足如下要求：以集中节点力形式提供的载荷，应当按部段分区进行，保证载荷不跨越以集中接头形式连接的独立部件，加载前后各独立部件及全机的总载荷必须满足力学等效，局部载荷的分布一致性不作要求，即力及力矩的加载误差不大于0.1％，压心位置的相对误差不大于1％；以分布力形式提供的载荷，在限定的加载范围内，加载前后的载荷分布需要满足一致性要求，积分后力和力矩的加载误差不大于1％，压心位置的相对误差不大于3％。
优选的是，，建模细节质量检查满足如下要求：水平尾翼的承力构件均应体现在有限元模型中；水平尾翼与机身连接接头的连接关系用MPC模拟，襟副翼与主翼盒的连接用MPC；水平尾翼外表面节点取在理论外形上，其它内部节点按零件轴线确定；单元类型应选取CQUAD4、CTRIA3、CROD、CHEXA、CPENTA、MPC；复合材料壁板使用PCOMP按实际铺层设计，墙、肋缘条使用PROD缘条面积进行刚度折算；墙、肋加筋、壁板加筋使用PROD，取加筋实际面积
本申请的优点包括：提供了对水平尾翼结构有限元模型进行全面、系统的质量检查的方法，能够系统的检查出水平尾翼结构有限元模型的不符合要求的部分，减少水平尾翼结构有限元模型建模纰漏。
附图说明
图1是本申请一优选实施方式一种水平尾翼结构有限元模型的质量检查方法流程图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
对水平尾翼结构有限元模型的构建方法，包括：步骤一、获取水平尾翼结构有限元模型的基本质量要求；步骤二、获取水平尾翼结构有限元模型的针对于坐标系系统、模型单位、材料、属性、载荷与约束的质量要求；步骤三、获取水平尾翼结构有限元模型的建模细节质量要求；步骤四、根据步骤一至步骤三构建水平尾翼结构有限元模型，并对水平尾翼结构有限元模型进行版本状态管理。
一种飞机设计阶段对水平尾翼结构有限元模型质量检查方法，参考表1，包括如下步骤：
A)水平尾翼结构有限元模型文件管理质量检查：为有效控制有限元模型的状态，对水平尾翼结构有限元模型进行版本状态管理，水平尾翼有限元模型文件的命名应包括轮次编号，版本编号，构件代号，文件扩展名等信息，并且应伴随说明文件，说明文件中包括模型名称，描述，更新日期，载荷工况，载荷版本，更新描述，历史版本描述等。(步骤一、对水平尾翼结构有限元模型进行版本状态管理，包括：对水平尾翼结构有限元模型文件的命名，以及获取所述水平尾翼结构有限元模型文件的说明文件)
B)水平尾翼结构有限元模型建模基本质量检查：水平尾翼有限元静力分析模型，应能合理模拟结构刚度，网格的划分应充分考虑应力梯度的变化及结构的承力特点。如由多位设计师合作建立，应发布统一的有限元模板文件，包括基础材料、单位制设置等，各部段在同一模板下进行有限元建模。从复杂的实际结构到有限元模型化应严格遵循力学等效(刚度等效)原则，同时要求正确模拟结构受力特点、传力路线和支持条件。机体上所有受力构件，包括重要接头、操纵机构等，原则上应一一对应地体现在模型的网格和单元上，尽可能避免人为等效粗化，扭曲的网格要原理高载区。(步骤二、对水平尾翼结构有限元模型进行基本检查；包括S201、根据有限元模板文件判断所述水平尾翼结构有限元模型中的各个属性是否统一；S202、判断所述水平尾翼结构有限元模型与实际结构是否遵循力学等效(刚度等效)原则，力学等效包括结构受力、传力路线和支持条件；S203、实际结构中的受力构件是否与所述水平尾翼结构有限元模型的网格和单元一一对应；)
C)坐标系系统检查：坐标原点应在机头处，X轴沿机身轴线逆航向为正，Y轴垂直向上为正，Z轴指向左翼为正。如有局部坐标系，应在建模数据中给出说明。(步骤三、对水平尾翼结构有限元模型进行坐标系系统检查；)
D)模型单位检查：有限元模型采用自封闭单位体系，采用mm/g/ms/K基本单位制。
E)材料检查：有限元模型中，应统一定义材料名称与性能。其构建应符合如下原则，普通金属材料(如铝、钢、钛等)，使用各向同性(Isotropic)本构模型。填写弹性模量、泊松比、密度、热线胀系数，剪切模量选填，其余参数不填。
复合材料单层(CCF300/QY9511、等效蜂窝等)，使用2D正交各向异性(2dorthotropic)本构模型,理论上只有四个独立力学参数，需要填写纵向(0度)弹性模量E11、横向(90度)弹性模量E22、主泊松比和面内剪切模量G12，模量数据使用室温干态材料许用值的拉压平均值，密度按实际填写，热膨胀系数填写热线胀系数，其它参数不填。(除密度外，等效蜂窝的模量及主泊松比等力学参数均填0.1)
复合材料层压板，使用Composite/Laminate模型，按结构类型(如蒙皮、腹板、缘条、筋条、长桁)分别构建，构建全机可能使用到的全部层板。不同结构分别构建属性和命名。
F)属性检查：(1)属性命名格式应体现部件、构件、材料、单元类型、属性值等信息。如水平尾翼2肋厚1.5mm板单元属性命名JY_LEI02_ALSHELL_1500；(2)属性的构建应当以便于识别和修改为原则，左右侧对称单元的属性应当单独构建，特别是复合材料的左右侧单元必须单独构建属性(如有必要材料也需分别构建和指定，即交换45度和-45度铺层)，且必需指定材料方向(如果不指定，材料坐标系将参考于单元坐标系)；(3)必须严格遵循实际结构，保证材料、结构尺寸等参数一致，属性计算过程清晰、规范、完整，所有数据均要做到有据可查。
G)载荷与约束检查：水平尾翼结构有限元模型载荷的分配和加载应当满足以下要求，(1)以集中节点力形式提供的载荷，应当按部段分区进行，保证载荷不跨越以集中接头形式连接的独立部件(如舵面与主翼盒等)；(2)加载前后各独立部件及全机的总载荷必须满足力学等效(局部载荷的分布一致性不作要求)，即力及力矩的加载误差不大于0.1％，压心位置的相对误差不大于1％；(3)以分布力形式提供的载荷，在限定的加载范围内，加载前后的载荷分布需要满足一致性要求(线性插值)，积分后力和力矩的加载误差不大于1％，压心位置的相对误差不大于3％。
H)建模细节质量检查：对水平尾翼有限元模型细节进行检查，(1)水平尾翼的承力构件如梁、墙、肋、壁板等均应体现在有限元模型中；
(2)水平尾翼与机身连接接头的连接关系用MPC模拟，襟副翼与主翼盒的连接用MPC。(3)水平尾翼外表面节点取在理论外形上，其它内部节点按零件轴线等确定。(4)单元类型应选取CQUAD4、CTRIA3、CROD、CHEXA、CPENTA、MPC。复合材料壁板使用PCOMP按实际铺层设计，墙、肋缘条使用PROD缘条面积进行等刚度折算。墙、肋加筋、壁板加筋使用PROD，取加筋实际面积。
表1
当采用本申请一种水平尾翼结构有限元模型的质量检查方法，可在飞机设计阶段对飞机水平尾翼有限元模型的质量进行精确、快速的分析，一举解决了传统手段没有成熟的水平尾翼结构有限元质量检查方法，无法全面、系统的对水平尾翼有限元模型进行质量检查的问题。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种水平尾翼结构有限元模型的质量检查方法，其特征在于，包括：
步骤一、按照给定的基本质量要求构建水平尾翼结构有限元模型；
步骤二、对水平尾翼结构有限元模型进行版本状态管理，包括：对水平尾翼结构有限元模型文件的命名，以及附加所述水平尾翼结构有限元模型文件的说明文件；
步骤三、基于所述基本质量要求构建检查要求，对水平尾翼结构有限元模型按照检查要求检查并标记；
检查类型包括：基本质量检查、坐标系系统检查、模型单位检查、材料检查、属性检查、载荷与约束检查、建模细节质量检查；
步骤四、对标记不符合检查要求的模型进行修改并返回步骤三，对符合全部基本检查要求的模型进行保存输出。
2.如权利要求1所述的水平尾翼结构有限元模型的质量检查方法，其特征在于，水平尾翼结构有限元模型的基本质量要求包括：水平尾翼结构有限元模型的针对于坐标系系统、模型单位、材料、属性、载荷与约束的质量要求；水平尾翼结构有限元模型的建模细节质量要求。
3.如权利要求1所述的水平尾翼结构有限元模型的质量检查方法，其特征在于，基本质量检查，包括S201、根据有限元模板文件判断所述水平尾翼结构有限元模型中的各个属性是否统一；S202、判断所述水平尾翼结构有限元模型与实际结构是否遵循力学等效原则，力学等效包括结构受力、传力路线和支持条件；S203、实际结构中的受力构件是否与所述水平尾翼结构有限元模型的网格和单元一一对应。
4.如权利要求1所述的水平尾翼结构有限元模型的质量检查方法，其特征在于，坐标系系统检查，包括：检查坐标原点是否在机头处，X轴是否沿机身轴线逆航向为正，Y轴是否垂直向上为正，Z轴是否指向左翼为正，如有局部坐标系，是否在建模数据中给出说明。
5.如权利要求1所述的水平尾翼结构有限元模型的质量检查方法，其特征在于，模型单位检查，检查有限元模型是否采用自封闭单位体系。
6.如权利要求1所述的水平尾翼结构有限元模型的质量检查方法，其特征在于，材料检查包括：检查材料是否统一定义材料名称与性能，其中各个材料检查标准包括：当材料为金属材料，使用各向同性本构模型，填写弹性模量、泊松比、密度、热线胀系数，剪切模量选填，其余参数不填；
当材料为复合材料单层，使用2D正交各向异性本构模型，填写纵向弹性模量E11、横向弹性模量E22、主泊松比和面内剪切模量G12，模量数据使用室温干态材料许用值的拉压平均值，密度按实际填写，热膨胀系数填写热线胀系数，其它参数不填；
当材料为复合材料层压板，使用Composite/Laminate模型，按结构类型分别构建，构建全机可能使用到的全部层板，不同结构分别构建属性和命名。
7.如权利要求1所述的水平尾翼结构有限元模型的质量检查方法，其特征在于，属性检查包括，检查属性命名格式是否体现部件、构件、材料、单元类型、属性值的信息；左右侧对称单元的属性是否单独构建；且是否指定材料方向。
8.如权利要求1所述的水平尾翼结构有限元模型的质量检查方法，其特征在于，载荷与约束检查满足如下要求：以集中节点力形式提供的载荷，应当按部段分区进行，保证载荷不跨越以集中接头形式连接的独立部件，加载前后各独立部件及全机的总载荷必须满足力学等效，局部载荷的分布一致性不作要求，即力及力矩的加载误差不大于0.1％，压心位置的相对误差不大于1％；以分布力形式提供的载荷，在限定的加载范围内，加载前后的载荷分布需要满足一致性要求，积分后力和力矩的加载误差不大于1％，压心位置的相对误差不大于3％。
9.如权利要求1所述的水平尾翼结构有限元模型的质量检查方法，其特征在于，建模细节质量检查满足如下要求：水平尾翼的承力构件均应体现在有限元模型中；水平尾翼与机身连接接头的连接关系用MPC模拟，襟副翼与主翼盒的连接用MPC；水平尾翼外表面节点取在理论外形上，其它内部节点按零件轴线确定；单元类型应选取CQUAD4、CTRIA3、CROD、CHEXA、CPENTA、MPC；复合材料壁板使用PCOMP按实际铺层设计，墙、肋缘条使用PROD缘条面积进行刚度折算；墙、肋加筋、壁板加筋使用PROD，取加筋实际面积。
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