[發(fā)明專利]機(jī)翼結(jié)構(gòu)力學(xué)高保真降階仿真方法、電子設(shè)備、存儲(chǔ)介質(zhì)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011246595.0
• 申請日: 2020-11-10
• 公開（公告）號: CN112560167B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董雷霆;盧志遠(yuǎn);嚴(yán)鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/23;G06F111/04;G06F119/14
• 代理公司: 廣州市越秀區(qū)哲力專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 44288
• 代理人: 葛燕婷

本發(fā)明提供機(jī)翼結(jié)構(gòu)力學(xué)高保真降階仿真方法，包括步驟：有限元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)配對和剛體約束施加，非剪切載荷加載分析，剪切載荷加載分析，計(jì)算等效截面屬性。本發(fā)明涉及一種電子設(shè)備和存儲(chǔ)介質(zhì)，用于上述方法。本發(fā)明很好地解決了細(xì)長結(jié)構(gòu)受剪力作用時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力不再具備周期性的問題，利用結(jié)構(gòu)單胞在彎曲載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)，對受剪力情況進(jìn)行修正，從擾動(dòng)位移場和面力兩個(gè)方面予以約束，形式簡明，具有良好的可嵌入性。本發(fā)明能夠通過模擬機(jī)翼結(jié)構(gòu)單胞在不同載荷下的變形，計(jì)算其等效降階模型的等效截面剛度矩陣，進(jìn)而為飛機(jī)機(jī)翼的有限元分析提供降階模型單元，提高飛機(jī)機(jī)翼模型的分析效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)翼結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為降階仿真分析技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及機(jī)翼結(jié)構(gòu)力學(xué)高保真降階仿真方法、電子設(shè)備、存儲(chǔ)介質(zhì)。

背景技術(shù)

現(xiàn)代飛機(jī)的機(jī)翼結(jié)構(gòu)往往是具有復(fù)雜幾何拓?fù)洹?fù)雜材料構(gòu)成的細(xì)長結(jié)構(gòu)，為了滿足由結(jié)構(gòu)高精度、高實(shí)時(shí)性仿真帶來的實(shí)際需求，諸多采用了降階模型的多尺度力學(xué)分析方法被提出，并應(yīng)用在一些實(shí)際的機(jī)翼結(jié)構(gòu)上。

多尺度方法，是一種常用的力學(xué)分析方法。飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的典型尺寸在米量級，而研究問題(如疲勞斷裂問題)中的典型尺寸(如裂紋長度)可能在毫米量級甚至更小。以飛機(jī)機(jī)翼為代表的細(xì)長類結(jié)構(gòu)在沿軸線方向上的尺寸遠(yuǎn)大于截面方向，若要精細(xì)化分析截面尺度的力學(xué)問題，如復(fù)雜截面應(yīng)力應(yīng)變分布，就需要精細(xì)地劃分有限元網(wǎng)格，然而由于細(xì)長結(jié)構(gòu)沿軸線方向的尺寸較大，整體模型的網(wǎng)格數(shù)量將會(huì)急劇增大，需要消耗大量的計(jì)算成本。

降階模型是解決此矛盾的有力手段。所謂降階，是指利用低維度、低自由度數(shù)的模型來替代三維的、高自由度數(shù)的模型，對于飛機(jī)機(jī)翼模型，一般是用線狀(一維)的梁單元模型來等效特定長度的翼段(三維)。如圖1所示，在翼段尺度(小尺度)上，對精細(xì)化的翼段有限元模型做幾種典型外載荷作用下的變形分析，根據(jù)響應(yīng)得到這一翼段在宏觀尺度(大尺度)模型中的等效屬性，如彈性模量等，進(jìn)而用低自由度數(shù)的梁單元簡化模型組裝到整體機(jī)翼模型乃至飛機(jī)整機(jī)模型中，達(dá)到快速分析的目的。

降階分析的目標(biāo)是將復(fù)雜的三維模型處理成低自由度的降階模型，是將考慮復(fù)雜拓?fù)浜头蔷|(zhì)材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)等效成簡化結(jié)構(gòu)模型來進(jìn)行宏觀仿真，這一過程也常被稱為均勻化分析。簡化后的降階模型在宏觀尺度具有與原始模型等效的特性，如等效剛度、振型等。作為一種平衡了計(jì)算精度和效率的有效結(jié)構(gòu)分析工具，降階模型在飛機(jī)設(shè)計(jì)的概念設(shè)計(jì)階段已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

目前業(yè)界已在應(yīng)用的機(jī)翼結(jié)構(gòu)降階分析工具有以下幾種：

一是由AnalySwift公司運(yùn)營的VABS(Variational Asymptotic Beam SectionalAnalysis)，可以對復(fù)合材料機(jī)翼、葉片等細(xì)長結(jié)構(gòu)做快速分析，計(jì)算細(xì)長結(jié)構(gòu)的截面屬性(剪心、等效剛度等)，對截面形狀、材料組成具有良好的適應(yīng)性。

二是由帝國理工載荷控制與氣動(dòng)彈性實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的動(dòng)氣動(dòng)彈性分析工具SHARPy，提高氣動(dòng)彈性分析效率，同樣使用了降階模型處理機(jī)翼結(jié)構(gòu)。

降階分析中的關(guān)鍵在于需在結(jié)構(gòu)單胞上施加合適的邊界條件，在現(xiàn)有的降階分析工具中，普遍采用了周期性邊界條件(PBC)，但由于細(xì)長結(jié)構(gòu)在受到剪力作用時(shí)，結(jié)構(gòu)單胞的受力不再具有周期性，導(dǎo)致了周期性邊界條件的失效，所以需要進(jìn)行一定修正。正確的邊界條件是正確計(jì)算結(jié)構(gòu)單胞等效屬性、進(jìn)而有效應(yīng)用到宏觀模型的基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供機(jī)翼結(jié)構(gòu)力學(xué)高保真降階仿真方法，處理分析機(jī)翼結(jié)構(gòu)的典型翼段，將其簡化為低自由度數(shù)的結(jié)構(gòu)單元，獲得機(jī)翼的等效截面屬性，如等效剛度矩陣、剪心位置等，進(jìn)而可采用簡化梁模型進(jìn)行有限元仿真，提高飛機(jī)整機(jī)的有限元分析效率。

本發(fā)明提供機(jī)翼結(jié)構(gòu)力學(xué)高保真降階仿真方法，包括以下步驟：