全機梁架式—減縮剛度組合建模方法

《全機梁架式—減縮剛度組合建模方法》是中國航空工業集團公司西安飛機設計研究所於2013年11月5日申請的發明專利，該專利申請號為2013105427583，公布號為CN103530485A，公布日為2014年1月22日，發明人是趙冬強、洪兆貴。

《全機梁架式—減縮剛度組合建模方法》屬於氣動彈性技術領域，涉及一種全機梁架式—減縮剛度組合建模方法。該發明通過減縮方法得到了後機身大開口及翼身連線部位的剛度矩陣，從而解決了這些複雜結構難以通過以往的計算方法得到準確剛度數據的難題，並結合機翼、垂尾、平尾等部件的梁架模型，建立了全機梁架式—減縮剛度組合模型，不僅實現了全機剛度特性的準確模擬，而且大大減小了計算規模，提高了計算效率，方便了全機地面共振試驗後模型的調整和變參分析，彌補了當前建模技術的不足，為氣動彈性仿真建模開闢了一條新途徑。

2021年6月24日，《全機梁架式—減縮剛度組合建模方法》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《全機梁架式—減縮剛度組合建模方法》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：全機梁架式—減縮剛度組合建模方法
• 申請人：中國航空工業集團公司西安飛機設計研究所
• 發明人：趙冬強、洪兆貴
• 申請號：2013105427583
• 申請日：2013年11月5日
• 公布號：CN103530485A
• 公布日：2014年1月22日
• 地址：陝西省西安市72號信箱
• 代理機構：中國航空專利中心
• 代理人：李建英
• Int. Cl.：G06F17/50
• 類別：發明專利

專利背景

2013年11月前，在顫振分析中常用的有限元模型包括梁架模型和桿板模型兩種。梁架模型結構簡單、自由度少，缺點是需要通過單閉室、多閉室或加力變形方法準確計算剖面剛度數據，因此很難準確模擬一些複雜結構的動力學特性，建模準確度較低；桿板模型在建模準確度上有較大優勢，但是涉及的單元和自由度極其龐大，計算量過大，不便於變參分析和模型修正。在大型軍用運輸機全機動力學仿真建模中就遇到了後機身大開口和翼身連線處等剛度無法準確模擬的難題，需要在建模技術上尋求新的突破。

發明內容

專利目的

《全機梁架式—減縮剛度組合建模方法》的目的是提出一種能夠準確模擬一些複雜結構的動力學特性，建模準確度較高並且計算效率高的全機梁架式—減縮剛度組合建模方法。

技術方案

《全機梁架式—減縮剛度組合建模方法》的技術解決方案是：（1）利用桿板有限元模型建立各個剖面的參考點，並將參考點與所處同一剖面上的各個節點通過RBE3剛體單元連線；（2）通過MSC.Nastran軟體中的ASET1卡及DMAP語句輸出減縮後的剛度矩陣KAA；（3）將桿板有限元模型建立的各個剖面的參考點信息引入剛度矩陣KAA中，生成包含參考點信息的STIFF矩陣；（4）利用各個剖面的參考點和STIFF矩陣建立桿板有限元模型的剛度減縮模型；（5）在剛度減縮模型中引入桿板有限元模型對應的質量特性，從而建立減縮模型；（6）通過減縮參考點，將全機其它部件的梁架模型與減縮模型按照設計要求連線，從而建立全機梁架式—減縮剛度組合模型。

所述桿板有限元模型建立的參考點數量是根據剖面所處位置的關係模態選取。

所述桿板有限元模型建立的參考點位置選擇所選剖面的截面形心。

所述桿板有限元模型選取的是全機桿板有限元模型或部件桿板有限元模型。

改善效果

《全機梁架式—減縮剛度組合建模方法》將Guyan減縮套用於氣動彈性分析，並制定了規範的操作流程，開闢了氣彈結構仿真新思路；全機梁架式—減縮剛度組合模型不僅成功解決了後機身大開口、翼身連線處等複雜結構難以通過以往計算方法得到準確剛度數據的難題，實現了全機剛度特性的準確模擬，而且大大減小了計算規模，方便全機地面共振試驗後模型的調整和變參分析；建立的仿真模型不僅是氣彈專業的基礎分析模型，還是動強度、系統載荷、靜氣彈、操穩等專業的結構動力學仿真模型，2013年11月前已經實際套用於顫振分析、伺服氣彈分析、突風回響分析，還可擴展用於動回響分析、陣風減緩、載荷修正等研究領域；該發明為後續型號動力學仿真建模的研究以及類似軍民用飛機的相關技術研究奠定了基礎，指明了方向，也可以擴展運用於建築、橋樑等民用結構動力學領域。

附圖說明

圖1是《全機梁架式—減縮剛度組合建模方法》建模流程圖；

圖2是該發明實施例的桿板有限元模型示意圖；

圖3是該發明實施例的剖面減縮參考點示意圖；

圖4是該發明實施例的減縮剛度模型示意圖；

圖5是該發明實施例的全機梁架式-減縮剛度組合模型示意圖。

技術領域

《全機梁架式—減縮剛度組合建模方法》屬於氣動彈性技術領域，涉及一種全機梁架式—減縮剛度組合建模方法。

權利要求

1.一種全機梁架式—減縮剛度組合建模方法，其特徵是，（1）利用桿板有限元模型建立各個剖面的參考點，並將參考點與所處同一剖面上的各個節點通過RBE3剛體單元連線，（2）通過MSC.Nastran軟體中的ASET1卡及DMAP語句輸出減縮後的剛度矩陣KAA，（3）將桿板有限元模型建立的各個剖面的參考點信息引入剛度矩陣KAA中，生成STIFF矩陣；（4）利用各個剖面的參考點和STIFF矩陣建立桿板有限元模型的剛度減縮模型；（5）在剛度減縮模型中引入桿板有限元模型對應的質量特性，從而建立減縮模型；（6）通過減縮參考點，將全機其它部件的梁架模型與減縮模型按照設計要求連線，從而建立全機梁架式—減縮剛度組合模型。

2.根據權利要求1所述的全機梁架式—減縮剛度組合建模方法，其特徵是，所述桿板有限元模型建立的參考點數量是根據剖面所處位置的關係模態選取。

3.根據權利要求1所述的全機梁架式—減縮剛度組合建模方法，其特徵是，所述桿板有限元模型建立的參考點位置選擇所選剖面的截面形心。

4.根據權利要求1所述的全機梁架式—減縮剛度組合建模方法，其特徵是，所述桿板有限元模型選取的是全機桿板有限元模型或部件桿板有限元模型。

實施方式

操作內容

《全機梁架式—減縮剛度組合建模方法》的模型包含梁架模型和減縮剛度模型兩部分。對於能夠準確計算剖面剛度和剛心的部件，如機翼16、垂尾17、平尾18等，用梁架來模擬其剛度特性，而對於機身後部大開口段、翼身連線區等難以用梁架準確模擬的部件或者區域，使用減縮剛度矩陣來模擬。

通過MSC.Nastran軟體中的ASET1卡可以實現桿板模型的剛度減縮，完整的剛度減縮流程如下圖1所示。首先，利用RBE3剛體單元將桿板有限元模型中各個剖面的截面剛度“集中”到減縮參考點上；然後，通過DMAP語句輸出減縮後的剛度矩陣KAA，並將參考點信息引入剛度矩陣KAA中，生成包含參考點信息的STIFF矩陣；最後，將STIFF矩陣代入具有參考點和質量特性的減縮模型中。

建立了減縮模型以後，按照全機各部件的連線形式，通過減縮參考點，將機翼16、垂尾17、平尾18等梁架模型連線到減縮模型上，從而建立全機梁架式—減縮剛度組合模型。

實施案例

首先，建立減縮剛度模型。選擇機身1及翼身連線2桿板有限元模型作為研究對象，見圖2，在桿板有限元模型的各個框段的形心位置設定參考點3，利用RBE3剛體單元12將對應截面剛度進行減縮，減縮形式如圖3所示，通過節點4、5、6、7、8、9、10、11的加權平均將截面剛度“凝聚”到參考點3上。

其次，通過DMAP語句，將減縮模型對應的剛度矩陣KAA輸出來。由於剛度矩陣KAA中不包含參考點信息，因此，需要將參考點信息引入剛度矩陣KAA中，從而生成STIFF矩陣。

然後，利用參考點、STIFF矩陣以及桿板模型對應的質量特性建立減縮模型，如圖4所示，其中質量特性是通過RBAR元13將集中質量元14添加到參考點15上。

最後，按照全機各部件的連線方式，將機翼16、垂尾17、平尾18等梁架模型連線到減縮模型上，並在模型上添加氣動插值支臂19，從而建立全機梁架式—減縮剛度組合模型，如圖5所示。

專利榮譽

2021年6月24日，《全機梁架式—減縮剛度組合建模方法》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。