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薄壁组合结构的有限元快速建模技术 |
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作者：北京航空制造工程研究所 岳中第 高光波 |
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摘要：在并行设计过程中，面向数字化、无纸化的技术要求，如何实现复杂薄壁组合结构的有限元快速建模，是工程设计人员最为关心的重要技术问题之一。本文基于MSC的开放平台，综述了薄壁组合结构三维实体设计中FEA建模的特点与复杂性，探索了实现CAD/CAE集成与二次开发、FEA结构模型简化及快速建模的技术途径与方法。应用测试表明，它能有效地缩短薄壁组合结构的有限元建模周期，使有限元模型在简化上更能精确于CAD 数字化模型。
1 薄壁组合结构FEA建模的特点与复杂性
飞机与舰船都是复杂的薄壁组合结构，是MSC/NASTRAN系统的传统工程应用领域。如何快速有效地为MSC/NASTRAN系统建立有限元分析（FEA）模型，往往成为这些行业工程技术人员的日常工作。今天通过电子商务，我们能够容易地采购到现代化的数字化技术的基础平台，例如CAD/CAE/CAM/PDM等商用软件，包括IBM/CATIA、MSC/NASTRAN等产品。在这方面，我们与国外同类公司相比，相差无几；但是，在应用这些基础平台解决复杂薄壁组合结构的分析方面，我们与国外同行确有不小的差距。例如，某些军民机要建立整机的有限元分析模型，需要集中近20多人，准备一年以上，而国外同行解决同样的问题所用的人力与时间却要少得多；在方案设计阶段要实现整机有限元分析模型，国外需要几个星期，而我们加班加点却还需要几个月。同样的软硬件技术环境，却有如此不同的结果，其原因在于我们缺乏在通用数字化平台基础上的实用开发技术与个性化的技术支持。
CAD软件商向我们推荐的整体解决方案，即三维CAD实体模型自动转换为三维有限元分析模型，在零件实体一级也许可以使用（例如，CATIA的FEA功能），但在复杂薄壁组合结构的部件级或整机级，这种方案往往导致几十万至几百万节点的FEA模型,而最终所得到的结果却无法让专家们相信它的正确性。在这种解决方案里，薄壁组合结构视为三维连续实体结构，CAD/3D模型直接转换为FEA/3D模型，“组合”变成“熔合”，“薄壁”变成“体元”，使结构的传力与力学特性受到扭曲。
正因为如此，复杂薄壁组合结构的FEA建模应该有它固有的力学方法和途径。我国工程技术人员利用薄壁组合结构（板杆梁）理论简化飞行器结构模型的基本实践，已经在航空航天领域极大地普及。自“九五”以来，我们按照传统的薄壁组合结构的模型简化方法，探索了基于MSC/PATRAN的开发平台，利用CAD系统提供的数字化模型及薄壁组合结构的FEA特征设计，快速建立FEA模型的相关技术。部分实例表明，它能有效地缩短FEA建模周期，既能体现薄壁组合结构计算力学理论，也使FEA模型在几何上更加精确于CAD模型。
2 薄壁组合结构的简化与FEA特征设计
在薄壁组合结构里，三类结构是非常典型的：盒段、框段、加筋壁板。这些典型结构具有特定的组合方式，可由一组参数描述，我们称为特征结构。一般来说，特征结构由外部的几何特征、内部的结构布置特征（剖分系数，或肋、框、长桁的位置）、材料与物理特性特征、边界协调特征等构成。飞行器与舰船的机体结构，大都可以通过这类特征结构来描述；不同特征结构将有不同的模式表达。这样，薄壁组合结构的FEA 建模变成按特征进行结构布置，结构组合变为按力学功能配置结构的有限元素。
盒段特征结构的几何特征是由区域定义所确定的边界确定（壁板与上下外表面的曲面片）。内部的结构布置特征是由长桁与肋的位置、长桁与肋板缘条以及支撑件的截面积、肋与翼展方向的壁板以及外表面曲面片蒙皮的厚度等参数确定的。材料与物理特性参数是由一组元素定义所要求的。边界协调特征将确定边界上的元素、节点特性以及与其它特征结构连接方式。不同类型的区域（四边形与三角形）决定着不同的盒段特征。飞行器的翼肋结构与舰船的双层结构，大都属于此类。
框段特征结构的几何特征是由一块外形曲面片（它可能是简单的等值面或直纹面，也可能是极为复杂的曲面）以及其梁框、长桁的位置参数确定的结构，其边界由区域定义所确定、并由对机身外形曲面进行区域求值得到的交线所围成。内部的结构布置是由长桁与框梁的位置、长桁的截面积、梁型材的类型、蒙皮的厚度等参数确定的。对于带开口的框段特征，具有与此相应的元素组合特性要求。飞行器的机身结构与舰船的单层船体结构，均属于此类。
加筋壁板特征结构是最简单的一类特征，机体结构的整体隔框，船体结构的舱壁板、单层甲板多属此类。 
图1机翼特征结构图标图2 机身特征结构图标
图1、2 是飞机机体结构的特征结构图标，图3、4 是舰船船体结构的特征结构图标。针对这些特征结构的组合方法、受力特点及固有的规律性，我们容易建立参数化的FEA模型，并自动产生它们的FEA模型（见[1]、[2]）。例如，对于双层底结构、双层舷结构、双层甲板结构等，其简化方法与飞机机翼结构类似，可采用CQUAD4，CTRIA3，CBEAM，CROD，CSHEAR 单元离散。主要的结构特征类型有：矩形特征、梯形特征、菱形特征、底边舱特征、顶边舱特征及双层舷特征等。对于单层底结构、单层舷结构及单层甲板结构等，其简化方法与飞机机身结构类似, 可采用CQUAD4，CTRIA3，CBEAM，CROD单元离散。主要的结构特征类型有：板、杆、梁组合特征；板、杆、肋骨板组合特征、单层底特征、单层矩型甲板特征等。 
图3、双层结构特征图标图4、单层结构特征图标
3 基于结构特征的FEA快速建模技术
3.1 特征结构的FEA模型程序库
根据不同类型的特征结构，需要开发不同的FEA模型程序库。每个库由多个FEA模型程序组成；每个程序都实现特定区域形状的FEA模型的自动产生。如图1-4的结构特征图标所示，开发各个特征结构的FEA模型程序是最重要的基础工作。通过基本实践，其主要环节是：
· 按照工程应用目标，定义一组结构特征；
· 针对每一结构特征，定义特征参数，建立拓扑描述数据（包括：定义几何位置及曲面片的求值方法，定义结构组合的元素类型以及材料与型材特性参数，定义边界连接特征）；
· 设计特征参数的输入接口与FEA模型的输出接口；
· 使用MSC/PCL语言，开发结构特征的FEA模型生成的MSC/PCL类程序。
3.2 材料特性与物理型材特性库
我们通过与MSC合作建立了常用材料库。对于物理特性，建立了标准型材（如图5所示）的物理特性库及非标准型材的参数化物理特性模型，供用户调用。
图5 标准物理型材库的调用
3.3 几何特征的抽取与求值
基于MSC/PATRAN开放平台，实现CAD/CAE的紧密集成，最关键的是进行几何特征的抽取与求值。建立薄壁组合结构的FEA模型需要的是CAD 曲面/曲线模型，而现代CAD系统提供的是三维实体CAD模型。因此，我们要：
· 抽取三维实体CAD模型的外形曲面或控制截面的外形曲线，这需要按照规范在CAD系统里准备，作为CAD模型的子集；
· 建立有效的几何求值方法，原则上讲，不同 CAD系统就有不同的几何求值方法；MSC/PATRAN建立了PCL可调用的几何求值函数， 可对曲面求交线及计算投影点坐标；
· 对于一个结构特征来说，必需开发一个几何求值子程序，实现对边界的CAD曲面求值和区域内的结构网格坐标的求值；
· 必需开发一个FEA组合元素族自动产生的子程序，它能完成对每种元素族的元素产生节点及连接参数、物理与材料特性等参数。
3.4 FEA快速建模运行流程
基于MSC /PATRAN 开发平台，我们建立了针对飞机结构特征的FEA自动化建模流程。它既能支持飞机方案设计的FEA建模，也能支持飞机详细设计的FEA建模。
图6表明了这两种基本流程。在方案设计阶段，飞机的外型是由通用的CATIA系统完成的。为了对结构进行优化布置与设计，往往要求在给定外型下对多种设计方案进行结构分析与比较，实现结构优化设计。这就要求在用户给出结构布置及元素的初始参数后快速给出FEA，结构元素的理想尺寸与物理特性参数将由结构优化程序综合给出。建立FEA的自动产生流程－QUICK方式，利用特性结构的参数模型文件，自动调用有关特征结构参数模型设计程序，便可形成方案设计的FEA模型。
图6. 飞机FEA快速建模的运行流程设计
在详细设计阶段，结构的外型与布置、元素的材料与物理特性参数均已完全确定，工程师需要进行结构的部件分析与整体分析，为生产与实验提供强度校核报告。建立产生FEA模型的图形交互定义的参数化流程，精确地定义特征结构的参数模型并进行修改，调用参数模型设计程序便能得到精确定义的FEA模型。
显然，建立飞机的CAD外形，特征结构区域求值，以及调用特征结构参数模型设计程序产生FEA模型，是流程的公用部分。建立FEA模型，对于飞机方案设计与详细设计来说具有不同流程。对于不同的特征结构，图形交互的用户界面相似，但其过程并不相同。
4 工程应用实例
我们在MSC/PATRAN的开发平台下，采用飞机特征建模技术，应用MSC/PCL以及相关二次开发工具，在武器装备的数字化建模技术研究方面取得了一定的进展，使FEA快速建模技术的支撑软件达到了预期的阶段开发目标。图7、8表明了用于军民机机翼的两个实例；图9表明了翼身组合及整机应用方面的前景；图10表明这种技术应用舰船的可行性。
图7 一种典型机翼的FEM模型
图8、由两个机翼段组成的机翼模型
图9、飞机机体的多部件组合建模
图10 船体结构的特征组合模型
在CAD模型处理方面，我们能够处理MSC/PATRAN 的CAD接口所接收的几何模型。同时，也能接受用户准备的型值曲线，自动产生出CAD原始模型（机翼或机身结构的曲线或曲面模型），并在此基础上，进行用薄壁组合结构的FEA快速建模。
在飞机结构特征方面，我们已经开发了机翼与机身等机体结构的基本特征模型库，能够处理一般机翼与机身部件的有关建模问题。但是实际的飞机结构十分复杂，因此，这些特征只能是基本的。针对具体的飞机型号，应进行应用性开发，补充适当的特征结构，这是成功应用不可缺少的工作。
在美国MSC北京办事处的大力支持下，航空工业第一集团公司第625所与第603所积极协作，以机翼与部分机身结构的自动化有限元建模为基本应用对象，进行了CAD/CAE的集成测试，成功地实现了CATIA＋PATRAN＋NASTRAN的数字化转换。实践表明，这是实现航空工程CAD/CAE紧密集成与自动化的重要途径之一，可极大地提高飞机有限元建模效率。
5参考资料
1. 岳中第，“面向数字化设计的飞机快速有限元建模技术”，MSC年会文集，1998.10。
2．岳中第等，“基于MSC平台实现CCS船舶结构有限元快速建模的设想”，2000.10。(end)
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(5/18/2005) |
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