飛機有限元模型快速加載技術

（1.中航飛機研發中心強度研究所;2.中航飛機漢中分公司工藝處，陜西 漢中 723000）

摘 要：本文通過對現有飛機有限元模型加載技術的研究，通過使用軟件ABAQUS功能，改變傳統手動劃分加載區域的加載方法，探究直接將試驗測壓點數據映射于飛機有限元單元上實現自動分載的方法。并通過飛機背鰭加載模型驗證了該方法的可行性與準確性，為提高飛機強度設計效率提供了新思路與方法。

關鍵詞：飛機有限元模型;ABAQUS;測壓點;映射;自動分載

1 引言

在飛機強度設計過程中，對于飛行載荷，通常先使用CFD方法獲得飛機外表面理論測壓點值，再將測壓點數據施加于飛機有限元模型單元上，然后再進行強度校核。目前現有的加載方式多根據測壓點位置，手動劃分測壓區域實現加載。該方法可以簡單有效的實現一般情況的分載。但在實際問題中，當目標面外形復雜不規則，測壓點數目較多，要求校核工況數增多時，手動劃分的方法已經無法滿足快速有效實現分載的要求。

針對該問題，本文通過基于ABAQUS/CAE所提供的解析映射域實現測壓點（即加載點）對于目標模型面的自動分載。

2 方法介紹

解析映射域使用戶能夠通過外部數據源來定義隨空間變化的模型參數值。ABAQUS/CAE中映射域可以通過提供不同空間坐標下厚度以及壓力值來定義隨空間變化的殼厚度或者壓力載荷。域值可通過定義云點數據文件或者直接從ABAQUS輸出數據庫文件（.odb）生成。映射域中點云數據可以定義在全局坐標系或者局部坐標系中，局部坐標系可以使用正交坐標系、柱坐標系或者球坐標系。

2.1 映射域點云數據格式

點云數據文件提供兩種文件格式輸入，坐標輸入（XYZ）和方格輸入（GRID），由于坐標輸入在實際問題中能夠更方便的通過導入外部點云文件建立映射域，因此本文僅介紹坐標輸入法（XYZ）。

坐標輸入的點云數據文件由行數據組成。對于正交直角坐標系每行必須包含X，Y，Z坐標以及點對應的域值。如果使用從外部導入的點云數據文件，每行數據項的分隔符可以為空格，換行或者逗號。下面給出以逗號為間隔符的數據格式。

X1，Y1，Z1，VALUE

X2，Y2，Z2，VALUE

……

2.2 映射場加載搜索控制

在創建映射域對話框的映射控制中可以調整搜索容限參數。ABAQUS/CAE嘗試將所有的數據源點以及與其關聯的域值映射到目標模型上。根據每一個數據源點離最近目標網格模型節點的距離，決定是否使用該數據點。而最終的決定取決于用戶在映射控制頁面所設置的搜索距離容限值。

2.3 映射場點云搜索控制

正反方向垂直容限值定義了數據點能映射到目標模型外表面的距離。對于正方向，默認每個數據點離目標面的距離必須小于目標模型單元平均特征尺寸的0.05倍才會進行映射。

可以通過修改距離容限值控制數據點的映射或者忽略。距離容限值可以通過定義相對于網格模型單元平均尺寸的系數，也可以直接定義其大小。

對于模型中沒有數據點映射的區域，將會被賦予默認的未映射場值，默認值為0。

對于點云數據源，在映射器控制中有以下選項需要設定：

（1）容差類型。如果選擇相對（系統默認絕對），容限值被定義為是玩個模型單元平均特征尺寸的一個系數。如果選擇絕對，容限值即為模型中實際長度。

（2）正、負法向搜索距離容差。所有在這個距離內的數據點，將會被映射于模型中用于分析。此容限僅用于目標面的映射。正法向默認值為0.05乘以網格模型單元平均特征尺寸，負法向默認值為0.15乘以網格模型單元平均特征尺寸。

（3）邊界搜索距離容差。此容差規定了數據點賦值給目標網格模型外單元的面內距離容差。由默認的0.01（相對）增加后可以有效擴展所希望進行映射的目標單元面。當數據點密度比目標單元網格更為粗糙時，增加此容差值更有益處。

（4）相鄰搜索距離容差。任何位于相鄰搜索距離容差值外的數據點都將被忽略不被用于分析。此容差可用于面和體的目標映射。

ABAQUS/CAE使用距離權重算法用于將數據場的值差分映射于目標網格模型上。如果無法找到實現差分的點，距離權重算法將會被使用于位于相鄰搜索距離容差內的節點。距離權重不考慮其他現有的容限（正、負法向搜索距離容差、邊界搜索距離容差）。也可以通過賦很小的相鄰搜索距離容差來關閉此功能，此時這些點將默認賦予未映射場值，見圖1。

其中P1和P2為兩個數據點。相鄰搜索距離容差若大于H1，則其對目標面映射區域為以P1為圓心，以相鄰搜索距離容差值為半徑的球面對目標面的切面，圖中對應即為以R1為半徑的圓，面內單元映射值都為P1點域值。如果其影響面積與其他數據點重合，對應圖中陰影區域，則該區域內單元采用距離權重算法賦予其映射值，非重合區域單元映射值分別對應P1和P2點域值。

2.4 目標表面映射算法控制

映射目標區域一般為體、面或者節點中的一種。如果目標為體模型，則只能使用體積映射算法。但如果目標面為面或者節點集，則可以選擇面或者體積映射算法。對于面映射算法，是將數據點差值到目標面的質心或者節點上。對于體映射算法，是將數據點差值到目標單元的質心或者節點上。兩種方法的區別僅僅影響體積源的域值如何賦給目標面。一般建議對目標面使用面映射算法，對體模型使用體映射算法。

一般通過三個步驟嘗試將數據點映射到目標點上：

（1）首先嘗試將域值內插分到目標上。相鄰搜索距離容差在此步將被忽略;

（2）接著使用距離權重算法處理位于相鄰搜索距離容差范圍內的數據點。

（3）最后對還未映射的目標點賦予為未映射場值。

3 飛機背鰭驗證算例

為進一步對該技術進行說明，本節以飛機背鰭加載模型作為算例，對該方法進行驗證。模型中約束背鰭邊緣的平動自由度，通過建立映射域對不同網格密度下的模型進行加載，以驗證快速加載技術的準確性。背鰭外形見圖2。

為觀察網格密度對映射加載的影響，對背鰭模型分別采用5 cm，10 cm，20 cm和40 cm作為全局單元尺寸劃分網格。計算結果見表1，表2。

4 結論

由以上結果可知，在以算例中映射域數據點密度條件下，側向總載和航向總矩相對誤差較小，在可接受范圍內，最大相對誤差分別為6.80%和3.87%。如果對加載精度有更高要求，也可以通過對測壓點總載荷進行等比例放大的方法進行修正，修正后結果見表1，表2.側向總載相對誤差和航向總矩相對誤差分別減小為1.85%和1.27%。通過分析計算可知，在映射域數據點密度達到一定要求時，使用映射域加載以及后續載荷修正可以實現精確加載。

以上分析計算說明在處理外形結構復雜、測壓點數據以及要求校核的載荷工況較多的實際問題中，該快速加載技術能高效的實現將測壓數據施加于有限元模型的目的，在處理實際問題中具有可行性。