基于民機強度設計的有限元模型對比研究

摘" 要：該文針對民機強度設計流程提出一種快速迭代優化的設計思路。通過自然網格有限元模型、整體有限元模型及細化網格有限元模型的建模方法及特點，對計算結果進行內力傳載對比分析，分析結果表明整體模型精度和準確性滿足設計要求。由于整體有限元模型修改方便快捷，相對于民機自然網格有限元模型和細化網格有限元模型，其建模效率大大提升，可以快速地在方案設計階段進行迭代優化工作，為民機強度設計周期節約很多時間。

關鍵詞：有限元模型；傳載分析；快速優化迭代；設計方法；民機結構強度

中圖分類號：V222" " " "文獻標志碼：A" " " " "文章編號：2095-2945（2023）16-0102-04

Abstract： In this paper， a fast iterative optimization design idea is proposed for the strength design process of civil aircraft. Through the modeling methods and characteristics of the natural grid finite element model， the overall finite element model and the refined grid finite element model， the calculation results are compared and analyzed. The analysis results show that the accuracy and accuracy of the overall model meet the design requirements. Because the modification of the whole finite element model is convenient and fast， compared with the civil aircraft natural mesh finite element model and the fine mesh finite element model， its modeling efficiency is greatly improved， and the iterative optimization can be carried out quickly in the scheme design stage. It saves a lot of time for the strength design cycle of civil aircraft.

Keywords： finite element model; load transfer analysis; fast optimization iteration; design method; structural strength of civil aircraft

隨著近些年社會經濟的發展，民用飛機航運市場的發展前景越來越好，提前占有市場對企業發展有很大的影響力，使企業有更多發展機會。但是民機項目的設計研制周期一般較長，設計周期幾年甚至幾十年，并且通常民機設計需要采用經過適航認證的自然網格有限元模型來進行飛機結構強度校核分析[1]。針對民機結構強度設計所使用的自然網格有限元模型建模，在進行模型單元屬性幾何參數獲取的過程中（如結構截面面積、慣性矩等參數）建模及附屬性所占用的周期較長，對于一些復雜的連接細節無法準確地進行模擬。另一方面，利用自然網格有限元模型進行強度校核分析時，其結果不能夠直觀地反映出結構的高應力變化區域[2]，需要后續將單元內力計算結果的數據進行處理，來進行工程校核分析。

本文基于現有民機設計過程中采用自然網格有限元模型強度設計的基礎上，提出了使用整體有限元模型進行快速迭代優化的工作方法進行方案階段的迭代設計工作。最后采用民航局方認可的民機自然網格有限元模型進行工程校核的設計思路。采用該方法的設計思路可以有效提高大型民用飛機的研發設計效率，縮短民用飛機的設計周期，能夠在民用飛機方案設計階段快速地進行不同方案迭代設計，從而達到縮短研發設計周期。

1" 模型介紹

本文中為了驗證所使用的整體有限元模型的計算結果的準確性及計算精度，采用與自然網格有限元模型、細化網格有限元模型的傳載進行對比分析，分別介紹了不同有限元模型的建模情況。

自然網格有限元模型是以飛機發布的外形骨架數模（主要包含飛機理論外形面，機身按照框、長桁及縱梁，翼面按照肋和長桁等）作為有限元網格劃分的基準，網格尺寸較大。該模型能夠主要反映出飛機主承力結構的傳載內力特性，并且根據工程校核方法也能夠快速計算出飛機的整體位移和單元內力，其內力的計算和模型的簡化方法能夠滿足工程校核對結構強度分析的設計要求，該自然網格有限元模型也是民機適航局認可的用來進行民機結構強度設計的有限元模型。

整體有限元模型與自然網格有限元模型建模基本一致，也是以飛機發布的骨架數模作為有限元網格劃分的基準。該模型能夠主要反映出飛機主承力結構的結構傳載特性，只是在進行有限元建模時的單元屬性與自然網格模型單元屬性有所不同，可以直接通過分析后處理軟件查看飛機結構的變形及單元應力分布情況，從而快速明了地了解全機的整體應力及嚴重區域情況。

細化網格有限元模型是建模時采用一定中等尺寸大小的網格單元，針對自然網格有限元模型簡化時不能夠體現較為重要的結構特征（例如框腹板、蒙皮厚度過渡區、開口區蒙皮R角區域等）進行補充分析。有限元簡化的模型基本遵循結構數模的幾何特征，局部位置的單元可以采用剛度等效或者厚度融合法，模擬結構間的連接，能夠對自然網格模型中不能體現的重要位置的應力、應變進行補充分析。

本文提出的整體有限元模型的網格尺寸與自然網格有限元模型一樣，基于自然網格有限元模型，將框及主要傳力結構件的腹板建立出來，內外緣條利用梁元模擬，通過單元有限元屬性的區別，建立大尺寸的板桿系模型。該模型相對于自然網格有限元模型區別在于可以通過后處理有限元商用軟件分析后直接查看結構模型的變形及應力分布情況，方便在優化迭代過程中使用，極大地提高了設計方案迭代效率。

2" 模型對比分析

2.1" 有限元模型介紹

本文為了對比所提出的整體模型的優勢，采用某大型客機全機模型進行計算分析，分別采用機頭結構典型區域位置的結構進行不同有限元模型的傳載分析對比。

依據現有結構數模分別建立了自然網格有限元模型、整體有限元模型、細化網格有限元模型等3個不同的有限元模型，不同模型有限元建模的定義分別如下：

自然網格有限元模型——大尺寸有限元模型（主要包含飛機機身按照框、長桁及縱梁）作為網格劃分基準。蒙皮單元模擬為膜單元，框單元模擬為平面梁元，局部模型如圖1所示。

整體有限元模型——大尺寸有限元模型（主要包含飛機機身按照框、長桁及縱梁）作為網格劃分基準。蒙皮單元模擬為shell單元，框內/外緣條單元模擬為梁元，框腹板模擬為shell單元，局部模型如圖2所示。

細化網格有限元模型——中等尺寸大小的網格單元，蒙皮單元模擬為shell單元，框內/外緣條單元模擬為梁元，框腹板模擬為shell單元，局部模型如圖3所示。

2.2" 載荷及邊界條件介紹

根據建立的結構有限元模型，將模型通過BDF文件裝配到全機模型中，通過模型上的節點進行加載計算，在全機起落架上進行全機靜力平衡施加約束。

根據全機的載荷計算情況分析，所有的載荷工況數量共有1 200多個，包含飛行載荷工況、地面載荷工況、氣密工況和動載荷工況等。由于載荷工況數量較大，數據處理分析工作量較大，所以根據計算分析結果選取4個典型的嚴重載荷工況結果進行典型結構的傳載內力對比分析，所選取的載荷工況見表1。

2.3" 模型傳載分析

在本文中針對不同的有限元模型分別挑選了4個嚴重載荷工況的分析，并且對其計算結果主要從變形、單元內力進行對比分析。選取典型結構：FR18站位上部拉桿結構、前起落架艙與地板橫梁連接拉桿、FR24站位長桁結構、FR25站位結構、FR23站位頂部壁板結構，對其單元內力進行分析。

根據計算結果分析：自然網格有限元模型、整體有限元模型、細化網格有限元模型的整體變形如圖4所示；FR18站位上部拉桿載荷對比如圖5所示；前起落架艙與地板橫梁連接拉桿載荷對比如圖6、圖7所示；FR24站位長桁軸力載荷對比如圖8所示；FR25站位節點力載荷對比如圖9所示；FR23站位頂部壁板線力和剪流對比如圖10、圖11所示。

根據圖4—圖11可以表明：典型嚴重載荷工況下自然網格有限元模型、整體有限元模型、細化網格有限元模型的結構整體變形大小基本一致，并且3個模型的最大變形位置都一致；結構FR18站位上部拉桿、前起落架艙與地板橫梁連接拉桿、FR24站位長桁、FR25站位典型結構位置的傳載內力大小基本一樣，在100000工況下，3個有限元模型前起落架拉桿載荷變化趨勢一致，并且左右對稱；3個有限元模型在典型框站位的截面載荷、傳載大小基本一致；FR23站位頂部壁板結構的單元內力位置處，自然網格有限元模型和整體有限元模型在典型框站位兩側的蒙皮載荷傳載誤差不大，符合性較好。

根據3種不同有限元模型的剛度和傳載對比分析，整體有限元模型和自然網格有限元模型的計算結果誤差差別不大，滿足結構強度的計算要求，可以用來進行結構方案的優化迭代設計。

2.4" 優化設計方法

本文中提出了一種針對民機強度設計的快速優化迭代方法。由于采用自然網格有限元模型進行迭代時，需要結構的幾何截面面積、慣性矩、形心高度等幾何參數，該過程幾何參數的獲取需要花費大量的時間周期，建模效率較低，迭代優化時采用工程校核的方法進行，整個一輪的方案優化迭代周期時間較長，項目進度相對較慢。

針對初始自然網格有限元模型的計算結果，建立整體有限元模型可以快速進行建模計算分析，并且可以直觀地查看結構的變形和應力分布情況，針對計算結果能夠快速地進行分析判斷，并且很快地將有限元模型進行更新迭代。利用計算結果進行下一步迭代優化工作，工作效率提升很大，直到方案迭代得到最優的設計方案。最后再根據整體有限元模型迭代的結果進行更改結構設計數模，利用結構數模進行自然網格有限元模型建模，并且根據內力計算結果進行工程校核。針對民機強度設計的快速優化迭代方法具體的設計流程如圖12所示。

3" 結束語

本文提出了一種通過整體有限元模型進行民機強度快速設計迭代的方法思路。通過建立不同有限元模型，選取典型結構區域在嚴重典型載荷工況下的計算結果進行對比分析。單元內力對比分析結果表明整體有限元模型分析結果與自然網格有限元模型計算結果的剛度及內力傳載基本一致，表明了整體有限元模型建模及模擬結構傳載的準確性。該模型可以在方案階段快速地進行迭代優化，極大提升了強度設計效率，縮短了項目設計周期，對項目設計具有重要的意義。

參考文獻：

[1] 萬春華，段世慧.大型航空結構有限元數值模擬方法研究[J].機械科學與技術，2018，37（5）：816-820.

[2] 艾森，聶小華.利用精細有限元模型實現大型機翼尺寸優化設計[J].機械科學與技術，2021，40（3）：487-492.