面向Nastran的飛機外載荷計算方法研究

譚玉生 楊全 陳棟梁

摘? 要：通過風洞試驗得到飛行器外表面上的氣動載荷，是飛行器強度有限元計算時重要輸入數據。文章所研究的載荷分配計算方法是在二者之間做了一個轉換，通過載荷的靜力等效將由風洞試驗得到的氣動載荷轉化為作用在有限元模型上的外載荷，并面向Nastran等有限元處理軟件開發了計算程序，在實際的工程應用中取得了很好的效果。

關鍵詞：飛行器;有限元;載荷分配計算;外載荷

中圖分類號：V215? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）30-0009-02

Abstract： The aerodynamic load on the outer surface of the aircraft is obtained by wind tunnel test， which is an important input data in the finite element calculation of aircraft strength. The load distribution calculation method studied in this paper is to make a conversion between them. Through the static equivalence of the load， the aerodynamic load obtained from the wind tunnel test is transformed into the external load acting on the finite element model. The calculation program is developed for Nastran and other finite element processing software， and good results have been obtained in practical engineering application.

Keywords： aircraft; finite element; load distribution calculation; external load

引言

在使用Nastran等有限元處理軟件對飛行器結構進行有限元建模分析時，輸入準確而合理的載荷是取得可信計算結果的前提條件之一。這個載荷是作用在飛行器強度有限元模型節點上的，而飛行器風洞試驗取得的作用在飛行器氣動模型的氣動載荷，強度分析人員需要將氣動載荷進行處理，轉換成能夠作用在飛行器強度有限元模型上的外載荷后，才能完成相關計算。

以前使用的手工近似計算的方法是將作用在氣動網格上的氣動載荷按取平均值的方法就近分配到鄰近的強度有限元網格上去，其過程是手工的，載荷分配的精度受設計員水平影響，而且費時費力。在研制周期不斷縮短，設計要求不斷提高的現代飛行器設計過程中，這種方法已經不再適用。基于此，本文結合現代航空工業中廣泛應用的Patran等有限元前后處理軟件，研究了一種合理的計算方法并形成了計算程序。

1 載荷分配計算方法

載荷分配計算程序的主要功能是把氣動網格上的分布載荷或節點上的力等效分配到強度有限元計算模型的相應節點上，供有限元計算使用。

1.1 基本假設

用載荷分配計算程序進行載荷分配時需滿足以下兩條基本假設：

（1）有限元模型中使用的板殼單元均為三節點或者四節點單元;

（2）分布載荷與節點力（外力）均垂直于所屬單元平面。

在進行飛行器總體應力分析時，使用的有限元網格較粗，板殼單元使用三節點或者四節點單元足以滿足精度要求，在精度要求較高的區域可將網格適當細化。在一般有限元模型中，分布載荷或者節點力（外力）都是垂直于所屬單元平面的。因此，本文所做的兩條基本假設是合理的。

1.2 把氣動模型表面網格分布載荷轉換成節點力

在此過程中，以三節點單元作為載荷計算的基本單元。由基本假設知，三節點單元每個節點處的力均垂直于單元平面，因此，單元上的分布載荷與節點上的力組成了一組平衡力系，可列出一個力和兩個矩的平衡方程，方程組求解即可得出各節點處的力。

對于四節點板殼單元，可以將其分成三個三節點單元，其中一個三節點單元的一個角點為四節點板殼單元一個邊的中點，各個三節點單元角點處的單位面積的壓力按四節點板殼單元各對應節點處的壓力確定，壓力分別垂直各三節點單元平面，分別對各三節點單元求解后把各力累加到四節點板殼單元的節點處。

1.3 把氣動模型表面網格節點力等效分配到有限元模型相應節點上

由第2.2節計算得到的氣動網格的節點力和節點坐標數據，需要獲得的是需分配載荷的有限元網格的三節點或者四節點板殼單元數據及相關節點的坐標，有限元網格數據可通過輸入有限元模型的.BDF文件獲得。

以三角形的三個角點作為每個力進行分配計算的基本點，假設每個節點處有一個垂直于三角形平面的法向力和一個面內力，面內力的方向垂直于該點處三角形的中線。按力及力矩的平衡條件對每個三角形可列6個力的平衡方程式，方程組求解可得出各三角形節點處的力。

（1）按節點進行分配用某已知載荷點的坐標在該店允許分配載荷的各個節點中找出距該點最近的幾個點（三個點以上）形成幾個三角形，把載荷按三角形的個數等分后逐個三角形進行計算，把所得的力，累加到各相應的節點上;（2）按單元進行分配用某已知載荷點的坐標在該點允許分配載荷的各個單元中找出距該點最近的一個單元，對于三角形單元直接進行計算，對于四邊形單元，首先找出距載荷最近的邊，用該邊和對邊中點組成一個三角形，進行分配計算，中點處的力等效分配到該邊的兩個節點上。

2 載荷分配計算程序的結構

2.1 Nastran原始數據（.BDF文件）處理模塊

從Nastran的.BDF文件中讀取節點號及節點坐標數據、板殼單元號及對應的節點號數據、板殼單元的壓力數據（PLOAD4），按一定格式存放到各數據數組中，并且根據這些數據計算出各節點處的力，把這些力存放到載荷數據數組中，供載荷分配計算使用。

2.2 載荷分配計算控制模塊

根據輸入的載荷分配計算控制信息，對原載荷節點和用于分配新載荷的節點進行分類處理，并且把相關數據分別存放到各數組中，供分配計算用。直接輸入帶有力及力矩的節點數據和載荷數據并分別存放到各個數組中，供分配計算用。

2.3 載荷分配計算模塊

（1）按節點進行載荷分配計算模塊

在所有可參與載荷分配的節點中找出與載荷點最近的數個點進行載荷分配計算，并把計算結果存放到相關數組中。

（2）按單元進行載荷分配計算模塊

在所有可參與載荷分配的單元中找出與載荷點最近的一個單元進行載荷分配計算，并把計算結果存放到相關數組中。

2.4 合力計算模塊

把原載荷和新載荷分別按載荷工況對一個給定的點進行合力計算，供分析計算結果用。

3 載荷分配計算程序在工程中的應用

在某型機旋罩系統與支架結構的總體應力計算中，利用該程序對氣動載荷進行了分配計算，大大縮短了有限元建模的時間，取得了滿意的效果。下面，本文以旋罩系統為例說明載荷分配計算程序在工程實際中的應用情況。

首先根據氣動載荷與氣動網格信息，以及旋罩系統的幾何信息在Patran軟件中建立有限元網格模型，形成了氣動網格與結構有限元網格之間的對應關系（見圖1，圖2）。然后利用Patran軟件輸出了包括全部氣動載荷與氣動網格信息，以及結構有限元網格信息的BDF文件，并根據網格之間的對應關系形成了載荷分配的計算控制文件。另外，需要按照規定格式編寫一個控制載荷計算程序運行過程的總計算控制文件，總計算控制文件是文本格式，編寫的規則非常簡單，而且具有很高的通用性。當啟動載荷計算程序后，程序提示輸入總計算控制文件，之后所有的載荷分配計算工作都在這個總計算控制文件的控制下自動完成。

在載荷分配計算工作完成后，根據合力計算模塊提供的結果，對載荷分配計算的情況作了一個簡單的評估。氣動力總載荷及壓心位置與分配到結構有限元網格上的外載荷合力及合力作用點位置的誤差小于2%，滿足工程精度要求。圖3給出了旋罩系統有限元網格外載荷分布情況。

在支架結構載荷分配計算工作完成后，通過計算發現支架氣動力總載荷及壓心位置與分配到結構有限元網格上的外載荷合力及合力作用點位置的誤差小于2%，說明本文研究的載荷分配計算程序在計算精度和可靠性上是有保障的。

4 結束語

本文構建了將氣動載荷轉換到強度模型上的計算方法和思路，通過驗證，其計算結果精度良好，并面向Nastran等有限元軟件開發了計算程序，具有較強的通用性，且該程序在實際的工程應用中也取得了比較令人滿意的結果。

參考文獻：

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