薄壁組合結(jié)構(gòu)的有限元快速建模技術(shù)

薄壁組合結(jié)構(gòu)的有限元快速建模技術(shù)作者：北京航空制造工程研究所岳中第高光波摘要：在并行設(shè)計(jì)過程中，面向數(shù)字化、無紙化的技術(shù)要求，如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜薄壁組合結(jié)構(gòu)的有限元快速建模，是工程設(shè)計(jì)人員最為關(guān)心的重要技術(shù)問題之一。本文基于MSC的開放平臺，綜述了薄壁組合結(jié)構(gòu)三維實(shí)體設(shè)計(jì)中FEA建模的特點(diǎn)與復(fù)雜性，探索了實(shí)現(xiàn)CAD/CAE集成與二次開發(fā)、FEA結(jié)構(gòu)模型簡化及快速建模的技術(shù)途徑與方法。應(yīng)用測試表明，它能有效地縮短薄壁組合結(jié)構(gòu)的有限元建模周期，使有限元模型在簡化上更能精確于CAD數(shù)字化模型。1薄壁組合結(jié)構(gòu)FEA建模的特點(diǎn)與復(fù)雜性飛機(jī)與艦船都是復(fù)雜的薄壁組合結(jié)構(gòu)，是MSC/NASTRAN系統(tǒng)的傳統(tǒng)工程應(yīng)用領(lǐng)域。如何快速有效地為MSC/NASTRAN系統(tǒng)建立有限元分析（FEA）模型，往往成為這些行業(yè)工程技術(shù)人員的日常工作。今天通過電子商務(wù)，我們能夠容易地采購到現(xiàn)代化的數(shù)字化技術(shù)的基礎(chǔ)平臺，例如CAD/CAE/CAMEDJM等商用軟件，包括舊M/CATIA、MSC/NASTRAN等產(chǎn)品。在這方面，我們與國外同類公司相比，相差無幾；但是，在應(yīng)用這些基礎(chǔ)平臺解決復(fù)雜薄壁組合結(jié)構(gòu)的分析方面，我們與國外同行確有不小的差距。例如，某些軍民機(jī)要建立整機(jī)的有限元分析模型，需要集中近20多人，準(zhǔn)備一年以上，而國外同行解決同樣的問題所用的人力與時(shí)間卻要少得多；在方案設(shè)計(jì)階段要實(shí)現(xiàn)整機(jī)有限元分析模型，國外需要幾個(gè)星期，而我們加班加點(diǎn)卻還需要幾個(gè)月。同樣的軟硬件技術(shù)環(huán)境，卻有如此不同的結(jié)果，其原因在于我們?nèi)狈υ谕ㄓ脭?shù)字化平臺基礎(chǔ)上的實(shí)用開發(fā)技術(shù)與個(gè)性化的技術(shù)支持。CAD軟件商向我們推薦的整體解決方案，即三維CAD實(shí)體模型自動轉(zhuǎn)換為三維有限元分析模型，在零件實(shí)體一級也許可以使用（例如，CATIA的FEA功能），但在復(fù)雜薄壁組合結(jié)構(gòu)的部件級或整機(jī)級，這種方案往往導(dǎo)致幾十萬至幾百萬節(jié)點(diǎn)的FEA模型，而最終所得到的結(jié)果卻無法讓專家們相信它的正確性。在這種解決方案里，薄壁組合結(jié)構(gòu)視為三維連續(xù)實(shí)體結(jié)構(gòu)，CAD/3D模型直接轉(zhuǎn)換為FEA/3D模型，“組合”變成“熔合”，“薄壁”變成“體元”，使結(jié)構(gòu)的傳力與力學(xué)特性受到扭曲。正因?yàn)槿绱?，?fù)雜薄壁組合結(jié)構(gòu)的FEA建模應(yīng)該有它固有的力學(xué)方法和途徑。我國工程技術(shù)人員利用薄壁組合結(jié)構(gòu)（板桿梁）理論簡化飛行器結(jié)構(gòu)模型的基本實(shí)踐，已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域極大地普及。自“九五”以來，我們按照傳統(tǒng)的薄壁組合結(jié)構(gòu)的模型簡化方法，探索了基于MSC/PATRAN的開發(fā)平臺，利用CAD系統(tǒng)提供的數(shù)字化模型及薄壁組合結(jié)構(gòu)的FEA特征設(shè)計(jì)，快速建立FEA模型的相關(guān)技術(shù)。部分實(shí)例表明，它能有效地縮短FEA建模周期，既能體現(xiàn)薄壁組合結(jié)構(gòu)計(jì)算力學(xué)理論，也使FEA模型在幾何上更加精確于CAD模型。2薄壁組合結(jié)構(gòu)的簡化與FEA特征設(shè)計(jì)在薄壁組合結(jié)構(gòu)里，三類結(jié)構(gòu)是非常典型的：盒段、框段、加筋壁板。這些典型結(jié)構(gòu)具有特定的組合方式，可由一組參數(shù)描述，我們稱為特征結(jié)構(gòu)。一般來說，特征結(jié)構(gòu)由外部的幾何特征、內(nèi)部的結(jié)構(gòu)布置特征（剖分系數(shù)，或肋、框、長桁的位置）、材料與物理特性特征、邊界協(xié)調(diào)特征等構(gòu)成。飛行器與艦船的機(jī)體結(jié)構(gòu)，大都可以通過這類特征結(jié)構(gòu)來描述；不同特征結(jié)構(gòu)將有不同的模式表達(dá)。這樣，薄壁組合結(jié)構(gòu)的FEA建模變成按特征進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置，結(jié)構(gòu)組合變?yōu)榘戳W(xué)功能配置結(jié)構(gòu)的有限元素。盒段特征結(jié)構(gòu)的幾何特征是由區(qū)域定義所確定的邊界確定（壁板與上下外表面的曲面片）。內(nèi)部的結(jié)構(gòu)布置特征是由長桁與肋的位置、長桁與肋板緣條以及支撐件的截面積、肋與翼展方向的壁板以及外表面曲面片蒙皮的厚度等參數(shù)確定的。材料與物理特性參數(shù)是由一組元素定義所要求的。邊界協(xié)調(diào)特征將確定邊界上的元素、節(jié)點(diǎn)特性以及與其它特征結(jié)構(gòu)連接方式。不同類型的區(qū)域（四邊形與三角形）決定著不同的盒段特征。飛行器的翼肋結(jié)構(gòu)與艦船的雙層結(jié)構(gòu)，大都屬于此類。框段特征結(jié)構(gòu)的幾何特征是由一塊外形曲面片（它可能是簡單的等值面或直紋面，也可能是極為復(fù)雜的曲面）以及其梁框、長桁的位置參數(shù)確定的結(jié)構(gòu)，其邊界由區(qū)域定義所確定、并由對機(jī)身外形曲面進(jìn)行區(qū)域求值得到的交線所圍成。內(nèi)部的結(jié)構(gòu)布置是由長桁與框梁的位置、長桁的截面積、梁型材的類型、蒙皮的厚度等參數(shù)確定的。對于帶開口的框段特征，具有與此相應(yīng)的元素組合特性要求。飛行器的機(jī)身結(jié)構(gòu)與艦船的單層船體結(jié)構(gòu)，均屬于此類。加筋壁板特征結(jié)構(gòu)是最簡單的一類特征，機(jī)體結(jié)構(gòu)的整體隔框，船體結(jié)構(gòu)的艙壁板、單層甲板多屬此類。

圖1機(jī)翼特征結(jié)構(gòu)圖標(biāo)圖2機(jī)身特征結(jié)構(gòu)圖標(biāo)圖1、2是飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的特征結(jié)構(gòu)圖標(biāo)，圖3、4是艦船船體結(jié)構(gòu)的特征結(jié)構(gòu)圖標(biāo)。針對這些特征結(jié)構(gòu)的組合方法、受力特點(diǎn)及固有的規(guī)律性，我們?nèi)菀捉?shù)化的FEA模型，并自動產(chǎn)生它們的FEA模型（見［1］、［2］）。例如，對于雙層底結(jié)構(gòu)、雙層舷結(jié)構(gòu)、雙層甲板結(jié)構(gòu)等，其簡化方法與飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)類似，可采用CQUAD4,CTRIA3,CBEAM，CROD，CSHEAR單元離散。主要的結(jié)構(gòu)特征類型有：矩形特征、梯形特征、菱形特征、底邊艙特征、頂邊艙特征及雙層舷特征等。對于單層底結(jié)構(gòu)、單層舷結(jié)構(gòu)及單層甲板結(jié)構(gòu)等，其簡化方法與飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)類似，可采用CQUAD4,CTRIA3,CBEAM，CROD單元離散。主要的結(jié)構(gòu)特征類型有：板、桿、梁組合特征；板、桿、肋骨板組合特征、單層底特征、單層矩型甲板特征等。

圖3、雙層結(jié)構(gòu)特征圖標(biāo)圖4、單層結(jié)構(gòu)特征圖標(biāo)3基于結(jié)構(gòu)特征的FEA快速建模技術(shù)3.1特征結(jié)構(gòu)的FEA模型程序庫根據(jù)不同類型的特征結(jié)構(gòu)，需要開發(fā)不同的FEA模型程序庫。每個(gè)庫由多個(gè)FEA模型程序組成；每個(gè)程序都實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域形狀的FEA模型的自動產(chǎn)生。如圖1-4的結(jié)構(gòu)特征圖標(biāo)所示，開發(fā)各個(gè)特征結(jié)構(gòu)的FEA模型程序是最重要的基礎(chǔ)工作。通過基本實(shí)踐，其主要環(huán)節(jié)是：圖3、雙層結(jié)構(gòu)特征圖標(biāo)圖4、單層結(jié)構(gòu)特征圖標(biāo)?按照工程應(yīng)用目標(biāo)，定義一組結(jié)構(gòu)特征；?針對每一結(jié)構(gòu)特征，定義特征參數(shù)，建立拓?fù)涿枋鰯?shù)據(jù)（包括：定義幾何位置及曲面片的求值方法，定義結(jié)構(gòu)組合的元素類型以及材料與型材特性參數(shù)，定義邊界連接特征）；?設(shè)計(jì)特征參數(shù)的輸入接口與FEA模型的輸出接口；■使用MSC/PCL語言，開發(fā)結(jié)構(gòu)特征的FEA模型生成的MSC/PCL類程序。3.2材料特性與物理型材特性庫

我們通過與MSC合作建立了常用材料庫。對于物理特性，建立了標(biāo)準(zhǔn)型材（如圖5所示）的物理特性庫及非標(biāo)準(zhǔn)型材的參數(shù)化物理特性模型，供用戶調(diào)用。A-FRAME-SHHbFETYPECDDLTVPIZ■>-IFFGUFORLINKPLATE1,K3WJI里u色112o.or-mg421EO?0-kwI13iO.Qhjo_a11\T~o.0MEkcllS1g舟131:mc?1131IZJIIVPV1F奶mTE：1日后135D1MS.4.4.1Z.012.D1.91.5QH34I41K1f>0377d.047U.H4715,91￡.OT.?I.5C.3940.0E315.01S.O1.21日后135D1MS.4.4.3.3幾何特征的抽取與求值基于MSC/PATRAN開放平臺，實(shí)現(xiàn)CAD/CAE的緊密集成，最關(guān)鍵的是進(jìn)行幾何特征的抽取與求值。建立薄壁組合結(jié)構(gòu)的FEA模型需要的是CAD曲面/曲線模型，而現(xiàn)代CAD系統(tǒng)提供的是三維實(shí)體CAD模型。因此，我們要：■抽取三維實(shí)體CAD模型的外形曲面或控制截面的外形曲線，這需要按照規(guī)范在CAD系統(tǒng)里準(zhǔn)備，作為CAD模型的子集；?建立有效的幾何求值方法，原則上講，不同CAD系統(tǒng)就有不同的幾何求值方法；MSC/PATRAN建立了PCL可調(diào)用的幾何求值函數(shù)，可對曲面求交線及計(jì)算投影點(diǎn)坐標(biāo)；?對于一個(gè)結(jié)構(gòu)特征來說，必需開發(fā)一個(gè)幾何求值子程序，實(shí)現(xiàn)對邊界的CAD曲面求值和區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格坐標(biāo)的求值；?必需開發(fā)一個(gè)FEA組合元素族自動產(chǎn)生的子程序，它能完成對每種元素族的元素產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)及連接參數(shù)、物理與材料特性等參數(shù)。3.4FEA快速建模運(yùn)行流程基于MSC/PATRAN開發(fā)平臺，我們建立了針對飛機(jī)結(jié)構(gòu)特征的FEA自動化建模流程。它既能支持飛機(jī)方案設(shè)計(jì)的FEA建模，也能支持飛機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)的FEA建模。圖6表明了這兩種基本流程。在方案設(shè)計(jì)階段，飛機(jī)的外型是由通用的CATIA系統(tǒng)完成的。為了對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化布置與設(shè)計(jì)，往往要求在給定外型下對多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與比較，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。這就要求在用戶給出結(jié)構(gòu)布置及元素的初始參數(shù)后快速給出FEA，結(jié)構(gòu)元素的理想尺寸與物理特性參數(shù)將由結(jié)構(gòu)優(yōu)化程序綜合給出。建立FEA的自動產(chǎn)生流程一QUICK方式，利用特性結(jié)構(gòu)的參數(shù)模型文件，自動調(diào)用有關(guān)特征結(jié)構(gòu)參數(shù)模型設(shè)計(jì)程序，便可形成方案設(shè)計(jì)的FEA模型。圖6.飛機(jī)FEA快速建模的運(yùn)行流程設(shè)計(jì)在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)的外型與布置、元素的材料與物理特性參數(shù)均已完全確定，工程師需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的部件分析與整體分析，為生產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)度校核報(bào)告。建立產(chǎn)生FEA模型的圖形交互定義的參數(shù)化流程，精確地定義特征結(jié)構(gòu)的參數(shù)模型并進(jìn)行修改，調(diào)用參數(shù)模型設(shè)計(jì)程序便能得到精確定義的FEA模型。顯然，建立飛機(jī)的CAD外形，特征結(jié)構(gòu)區(qū)域求值，以及調(diào)用特征結(jié)構(gòu)參數(shù)模型設(shè)計(jì)程序產(chǎn)生FEA模型，是流程的公用部分。建立FEA模型，對于飛機(jī)方案設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)來說具有不同流程。對于不同的特征結(jié)構(gòu)，圖形交互的用戶界面相似，但其過程并不相同。4工程應(yīng)用實(shí)例我們在MSC/PATRAN的開發(fā)平臺下，采用飛機(jī)特征建模技術(shù)，應(yīng)用MSC/PCL以及相關(guān)二次開發(fā)工具，在武器裝備的數(shù)字化建模技術(shù)研究方面取得了一定的進(jìn)展，使FEA快速建模技術(shù)的支撐軟件達(dá)到了預(yù)期的階段開發(fā)目標(biāo)。圖7、8表明了用于軍民機(jī)機(jī)翼的兩個(gè)實(shí)例;圖9表明了翼身組合及整機(jī)應(yīng)用方面的前景；圖10表明這種技術(shù)應(yīng)用艦船的可行性。圖7一種典型機(jī)翼的FEM模型

圖8、由兩個(gè)機(jī)翼段組成的機(jī)翼模型圖9、飛機(jī)機(jī)體的多部件組合建模圖10船體結(jié)構(gòu)的特征組合模型在CAD模型處理方面，我們能夠處理MSC/PATRAN的CAD接口所接收的幾何模型。同時(shí)，也能接受用戶準(zhǔn)備的型值曲線，自動產(chǎn)生出CAD原始模型(機(jī)翼或機(jī)身結(jié)構(gòu)的曲線或曲面模型)，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行用薄壁組合結(jié)構(gòu)的FEA快速建模。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)特征方面，我們已經(jīng)開發(fā)了機(jī)翼與機(jī)身等機(jī)體結(jié)構(gòu)的基本特征模型庫，能夠處理一般機(jī)翼與機(jī)身部件的有關(guān)建模問題。但是實(shí)際的飛機(jī)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，因此，這些特征只能是基本的。針對具體的飛機(jī)型號，應(yīng)進(jìn)行應(yīng)用性開發(fā)，補(bǔ)充適當(dāng)?shù)奶卣鹘Y(jié)構(gòu)，這是成功應(yīng)用不可缺少的工作。在美國MSC北京辦事處的大力支持下，航空工業(yè)第一集團(tuán)公司第625所與第60