机翼结构有限元快速建模技术研究

为提高飞机机翼结构初步设计阶段有限元建模的质量和效率,提出了机翼结构有限元参数化建模方法。采用模板技术将机翼结构几何建模过程中的方法、规则和专家经验等知识进行封装,在CATIA建模平台上通过Visual Basic开发了知识驱动的机翼结构几何参数化建模系统。研究了CAD与CAE系统之间的数据传递手段,读取上游模型信息,完成了几何模型的重构。基于PATRAN二次开发语言PCL进行了有限元网格自动剖分,快速生成了有限元模型,并实现了CAD模型向CAE模型转换的无缝集成。     

基于参数化有限元方法的机翼重量预测

为飞机总体设计阶段提供一种快速而较精确的机翼重量预测方法。该方法是将参数化几何建模和参数化有限元建模方法相结合,快速地建立机翼结构有限元模型。通过应用CATIA二次开发技术,实现机翼结构布置模型的自动生成;通过运用PATRAN的PCL语言,实现结构有限元模型的自动生成;通过应用优化方法,确定出结构尺寸,进而计算出机翼重量。算例表明,本方法可快速地分析不同结构布置方案和不同材料方案的机翼重量,适用于飞机总体方案设计阶段机翼重量计算。     

基于CATIA VB二次开发的机翼几何外形参数化建模研究

对于机翼参数化建模方法,利用Visual Basic进行CATIA二次开发,实现机翼的外形参数化建模。本文着重对基于CST的翼型参数化建模方法进行了研究,在生成的界面中输入相应设计参数:根弦长、翼展、前缘后掠角、后缘后掠角、翼型数据文件和翼型参数,如控制点处翼型上下表面相对厚度等。通过运行编写的Visual Basic的程序,自动在CATIA中生成机翼外形模型,从而实现了机翼模型的快速自动生成和修改,为CFD软件进行机翼气动分析和对机翼与翼型进行气动外形优化提供模型。     

机翼结构重量预测的多学科分析优化方法

为了克服现有机翼结构重量计算方法的局限性,提出一种基于多学科分析优化的机翼结构重量计算方法。以客机机翼为例,阐述整个计算流程。计算流程的关键步骤包括机翼外形和结构参数化建模、气动分析模型自动生成与外形优化、结构有限元模型的自动生成和结构优化。应用CAD软件CATIA的二次开发方法,实现机翼外形几何模型、结构布置几何模型和气动分析模型的自动生成;应用MSC.Patran的PCL编程技术,实现结构有限元模型的自动生成;应用等效刚度和等效强度方法,提高结构有限元模型自动生成的稳健性,缩短结构分析和优化的计算时间;应用多学科集成和优化技术,建立机翼结构重量预测的计算平台,实现整个计算过程的自动化。算例表明这种方法稳健、有效,可快速地分析机翼外形参数与结构重量之间的关系,分析不同展向载荷分布和不同选材方案对机翼结构重量的影响。     

飞机机翼结构三维几何模型快速建模方法研究

针对目前航空企业普遍采用CATIA软件进行设计的现状,本课题对机翼结构几何模型的快速建模技术进行了研究,结合参数化建模方法,在CATIA软件平台开发了机翼结构快速建模系统。     

民用飞机概念方案翼盒结构总体有限元快速建模

针对民用飞机概念方案结构设计,以自然网格方法为基础提出一种翼盒结构总体有限元快速建模方法。采用CATIA二次开发实现结构布置参数化并获取翼梁、长桁和翼肋的结构交点,根据翼盒结构实际传力路径建立结构交点间的拓扑关系模型,快速完成翼盒结构总体有限元建模。以某民用飞机的机翼建模实例验证了方法的适用性和有效性。     

翼身融合飞机参数化几何模型

本文研究翼身融合飞机的参数化几何模型生成的方法。翼身融合飞机各部件均视作翼面类部件,运用形状函数和分类函数变换方法描述飞机各个剖面翼型。用三次施密特曲线描述飞机沿展向的厚度变化与后缘曲线形状,用分段曲线描述复杂的前缘形状。翼梢小翼划分为过渡段与主段两部分分别描述,并通过变换矩阵计算主翼段关键参数坐标。应用CATIA二次开发技术实现参数化几何模型的自动生成。     

分析模型参数化建模在飞机多学科优化设计中的应用

 论述分析模型参数化建模在飞机多学科优化设计中的重要意义,提出一种机翼气动与结构分析模型参数化建模方法。优化设计变量与机翼气动计算网格的中间参数变量用于描述机翼气动网格变形情况,并建立结构有限元网格与优化设计变量的空间变化关系,实现机翼气动/结构多学科优化设计模型的参数化描述。气动性能计算采用基于N S方程的计算流体力学方法,利用试验设计方法（DOE）和响应曲面模型（RSM）技术构造气动响应曲面用于优化设计,结构计算调用MSC/NASTRAN完成。采用Pareto遗传算法对一大展弦比复合材料机翼模型进行了多学科优化设计分析,得到Pareto前沿面和可选方案以供决策者选择。     

机翼几何外形的CATIA参数化建模实现方法

以高亚声速运输机机翼为例,介绍了使用CATIA软件创建机翼几何外形参数化模型的方法。机翼的设计参数主要为机翼主梯形面积、展弦比、根梢比、1/4弦长后掠角、后缘转折位置、上反角及若干站位处的翼型及扭转角。根据以上初始设计参数,机翼的其它几何参数通过模型中内嵌的公式计算得出。模型中还包含设计完成后机翼的实际面积、机翼容积等后处理参数,可供设计参考。所生成模型中的参数可通过二次开发程序访问和修改,从而可在气动优化工作中实现快速的机翼几何外形设计,提供给CFD软件来建立气动力分析模型。     

基于CST参数化方法气动优化设计研究

翼型及机翼优化设计中,设计变量的个数对优化算法的收敛速度及代理模型的精度有很大的影响.因此,在精确描述翼型的同时,发展较少设计变量的翼型参数化方法对翼型优化设计有着重要的意义.本文基于CST(class function/shape function transformation)翼型参数化方法对Kriging模型的预测精度进行研究,并采用改进的粒子群优化算法构建气动优化设计系统.某亚声速机翼单点减阻设计及超临界翼型的稳健性设计表明该系统具有较高的设计质量,方法可靠,有较高的工程应用前景.     

基于MSC．PATRAN环境的参数化有限元建模

结构有限元模型的建立是进行结构分析与设计的基础。结构外形参数改变，其有限元模型将随之改变。针对这种情况阐述了基于MSC．PATRAN的有限元参数化建模方法，以三杆桁架为例描述了参数化建模的过程，最后对一机翼盒段实现参数化建模，并对其进行优化设计。结果表明：参数化有限元建模可以方便的得到一组外形或功能相似的模型结果和分析结果，提高了建模和分析效率。     

基于CST-GAN的翼型参数化方法

翼型参数化方法对于翼型制造、气动和隐身等的优化设计具有非常重要的作用,为进一步提高参数化方法的表示能力,避免在优化过程中产生奇异外形进而提升翼型优化设计效率,结合外形控制能力更加灵活的类别形状函数变换方法（CST）及能够学习数据潜在分布的生成对抗网络模型（GAN）,基于现有翼型数据库构建了一种新型翼型参数化方法：CST-GAN。通过考察生成翼型的几何质量及其表示误差,研究设计维度对CST-GAN翼型参数化的影响,并与Bezier、B样条及主成分分析（PCA）方法的表示精度进行了对比,最后基于该方法开展翼型优化设计。结果表明,该方法可以生成光滑、有效的几何外形,并能实现对翼型较为精确的描述。与其他几种常用参数化方法相比,CST-GAN方法具有较快的优化收敛速度和较好的优化效果,有助于改善优化效率,节约计算成本。此外,该方法鲁棒性强、易于实现,有拓展至三维机翼及整机的参数化建模并进行气动优化设计的应用潜力。     

基于Patran二次开发的机身结构参数化建模

为缩短建立结构模型的周期,针对某大型运输机机身结构,应用PCL语言开发了-个参数化快速建模软件.其中,采用了一种二次曲线描述飞机机身理论外形的方法,该方法可以用极少的参数来描述飞机各种部件的理论外形.实例表明,运用该软件能快速自动地生成飞机机身结构模型,提高了建模效率.     

运输机机翼外形和吊舱位置一体化优化方法

针对运输机翼吊布局中机翼-吊舱之间有可能存在较大干扰阻力的问题,本文提出一种机翼扭转角和吊舱位置的同时优化的设计方法。气动分析模型采用高阶面元法程序PANAIR,应用参数化方法和CATIA二次开发技术实现飞机三维外形的自动生成;应用网格生成工具Gridgen的脚本语言实现气动网格的自动生成。为了减少调用气动分析模型的次数,在优化中应用了代理模型方法。算例的优化结果表明:优化后机翼的展向升力分布更加合理,显著地降低机翼和吊舱间的干扰阻力。     

自然层流机翼气动外形优化研究

层流技术在飞行器尤其是民用客机减阻方面具有较好的应用潜力。采用全速势方程(TRANAIR)、序列二次规划(Sequential Quadratic Programming,SQP)优化算法及自适应笛卡尔网格技术,用两种不同的参数化建模方法,类函数/型函数变换(Class function/Shape function Transformation,CST)和非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Spline,NURBS)方法,对某自然层流机翼进行了多点优化设计,设计点为:C_L=0.45(M:0.735,0.755,0.765,0.775),C_L=0.50(M:0.755),约束条件为:升力、俯仰力矩和翼型20%、80%及最大厚度不得低于初值。优化结果表明:虽然CST方法在翼型描述上具有先天优势,NURBS方法更多用于三维曲面,而对于文中自然层流机翼算例,NURBS的优化效果更好;在C_L=0.45(M:0.755)状态下,优化后上翼面转捩位置明显后移,层流区域变广,总阻力减小了4.5%;采用的优化方法在进行五点优化时仍然具有较高的计算效率,具有较强的工程实用能力。     

响应面拟合法在机翼结构优化中的应用研究

在飞机结构优化设计中,针对循环利用有限元软件寻优耗时大、收敛比较慢的状况,本文采用了一种基于响应面多项式拟合方法对机翼结构进行优化。以某平直机翼为例,该方法从建立机翼结构的有限元模型出发,结合正交试验设计方法,经过对比,采用比较新颖的最大差值极小化法,建立机翼的二次响应面近似模型;在此基础上,以整个机翼结构质量最小化为目标,最大位移和最大应力为约束,把机翼划分为多个区域,选取各区域蒙皮厚度和全部肋腹板厚度为设计参数,建立数学优化模型,用ISIGHT集成MATLAB的方法,采用序列二次规划法进行优化。优化的结果表明,采用该方法对该平直机翼进行优化,在满足机翼刚度和强度的情况下,能有效降低机翼质量,并且避免了多次重复调用有限元软件进行计算,迭代次数仅为34次,优化效率明显提高。     

一种考虑截面任意变形模式梁的有限元模型

提出了一种考虑截面完整变形的截面插值梁模型,并用于机翼结构的建模与分析。首先引入截面插值函数——拉格朗日函数描述截面形状,以位移向量为未知变量描述截面位移,在此基础上依据插值理论构造梁单元位移场。不同于传统梁单元通过假定的中性轴的挠度和转角来确定梁截面各点位移,该梁模型摒弃了中性轴假设与平截面假设,通过截面插值函数得到梁截面面内、面外变形;然后通过有限元理论推导了梁单元刚度矩阵与质量矩阵;最后利用截面插值梁单元对机翼各部件进行有限元建模,并展开典型工况下的静力学分析以及动力学分析,与Nastran实体单元计算结果进行了对比分析,验证了该梁模型的有效性,为机翼的结构设计和强度分析提供了一种新的简化建模方法。     

飞翼式客机机翼气动/结构综合优化方法研究

针对目前在飞翼客机机翼优化过程中对气动弹性效应考虑不充分、气动/结构耦合不充分的问题,分别对飞翼客机机翼的CFD（Computational Fluid Dynamics,简称CFD）气动模型、平板气动模型和三维板杆模型进行参数化建模,开展了针对飞翼布局客机机翼的气动/结构综合优化设计的研究,搭建了一套基于Kriging模型的前瞻性设计方法,获得了机翼最优的气动外形和结构构型,在有效降低机翼结构重量的同时,显著地减少了气动阻力。在满足精度及效率的前提下,气动子学科选用亚声速偶极子格网法以及基于Euler方程的CFD方法,结构子学科选用有限元分析方法,优化算法采用遗传算法。     

舵面结构参数化建模方法及气动弹性应用

以典型舵面为对象研究适用于飞行器部件的结构参数化建模方法及应用。首先,提出一种基于有限元方法,及映射变换法则的,由二维网格参数化剖分向三维外形展开的,参数化描述思路,通过Matlab编程实现其流程算法;然后,将舵面参数化建模,与结构动力学及颤振分析相结合,分别将结构模型、气动网格和插值结点做参数化描述,进而实现舵面颤振分析模型的参数化;最终,将参数化建模方法,与遗传算法优化流程相结合,实现舵面外形及结构参数的优化设计。以某全动尾翼模型为例,应用文中方法极大提高了结构建模效率;与遗传算法相结合,在满足约束条件的前提下,实现了该舵面初始方案47%的结构减重效果。研究成果可为概念设计阶段的舵面设计提供指导。     

基于产品结构和CATIA的作战飞机易损性建模方法

介绍了作战飞机易损性建模的基本步骤和主要建模方法,分析了不同易损性建模方法的优点和不足,在此基础上,提出了一种基于产品结构和CATIA的易损性建模方法,该方法采用CATIA软件直接构建飞机的外形和部件模型,通过产品结构树对部件进行组织和管理,并利用CATIA二次开发在CATIA环境中直接生成三维射击线,有效提高了易损性模型的精度和易损性分析中各项操作的效率,为进一步的易损性定量计算提供了基础。以捕食者无人机为例,建立了全机易损性模型,生成了全机射击线,验证了文章所提方法的有效性和模型的可用性。