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[CATIA曲面教程] 飞机结构强度一体化分析与设计优化

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CATIA建模 发表于 2019-5-8 15:59:45 | 显示全部楼层 |阅读模式
CATIA建模
2019-5-8 15:59:45 4244 0 看全部
  概念设计属于飞机设计工作的初始阶段,在航空型号研发过程中具有十分重要的地位,根据飞机的使用技术要求、经费、周期等,对气动外形布局及机体主要结构形式等进行初步和方向性的探讨,研究比较各种技术方案。合理的概念设计可为之后的飞机详细设计工作提供坚实的基础,减少详细设计工作返工的风险,提升飞机型号研发效率。虽然目前国内各航空设计院所在飞机概念设计方面开展的工作不多,但随着及型号任务的增多及设计经验的积累,设计工作逐步将从逆向研发转变为正向研发,飞机概念设计必然会成为未来型号工作中的重要一环,对最终的设计产生重要影响。

  在概念设计研究阶段,由于各方面设计的数据量相对有限,对计算精度并不会有过高要求,通常为定性的评估及可行性分析,但需要比较分析各种设计方案,因此必须能够进行结构、载荷、强度的快速迭代,实现快速结构布局设计、载荷计算及加载、强度快速建模及计算、结构强度及刚度分析,最终通过分析驱动设计,优化设计方案。

  2 结构强度一体化分析

  2.1 整体思路:Simcenter Aerostructure是西门子公司基于Simcenter 3D推出的涵盖飞机强度专业全流程的软件集成方案,包含从结构、载荷至有限元分析、强度校核的完整工作流程。通过Simcenter 3D提供的CAD接口及同步建模技术,可直接运用任何CAD来源的数据进行结构设计工作,利用CAD-CAE一体化技术创建关联的有限元模型进行内力解计算,并基于有限元分析结果计算强度安全裕度,对结构的强度性能进行快速评估。

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图1 结构-载荷-强度一体化解决方案
  最后通过结合使用Simcenter 3D与设计空间探索自动化软件HEEDS,全面探索设计空间,优化设计方案以满足设计需求。

  2.2 参数化几何建模:在概念设计阶段,结构设计主要是针对飞机主要承力结构,优化其布局、数量,使其具有合理的载荷传递路线,在满足强度安全要求的前提下,尽可能降低重量。针对航空用户几何模型一般为CATIA数模,Simcenter 3D提供CATIA数模接口,可直接读取CATIA模型文件,并利用同步建模技术,自动识别CATIA数模的建模特征,用户可以任意修改几何特征,实现结构参数化建模。
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图2 读取CATIA数模并自动识别几何特征
  2.3 关联有限元模型建立:为优化设计方案,必需通过大量的循环迭代,分析比较各方案的优劣,因此在保证模型精度的前提下,提高强度建模的自动化比例十分必要,尽可能减少手动操作,以此来减轻概念设计阶段强度建模的工作量,提升设计效率。Simcenter 3D结合飞机有限元建模的规范和流程,基于几何模型创建关联的有限元模型,划分有限元模型网格,设置有限元模型参数,并通过CAD-CAE一体化技术自动实现有限元模型更新,有限元模型网格与几何模型自动关联。
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图3 自动关联有限元模型网格与几何模型
  有限元模型网格随着几何模型自动更新,而有限元模型网格节点上的载荷也需要更新,以保证载荷加载位置的准确,Simcenter 3D可将载荷加载至几何模型,设置加载点与几何关联,将不受有限元网格重划分影响,加载点将与几何上的所有节点自动关联。
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图4 设置加载点与几何点、线、面关联
  如果加载点需要与有限元网格节点关联,可通过Simcenter 3D设置网格点,无论有限元网格如何重划分,均可保证网格点位置始终存在有限元节点,保证加载点与有限元模型的关联。
  2.4 强度分析:在有限元模型载荷加载完成后,即可进行有限元求解计算,调用Nastran求解器计算有限元强度模型的结构传力,输出有限元内力解分析结果。Simcenter 3D支持多有限元求解器调用,既可调用自带求解器NX Nastran、Samcef,同时也支持调用第三方求解器MSC Nastran、Ansys、Abaqus等。

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图6 有限元内力解分析结果
  基于输出的有限元内力解分析结果, Simcenter 3D提供专业的结构强度校核模块,可以快速实现强度校核工程算法的集成,不仅可以直接集成用户许用值的计算方法及程序,同时也包含工作应力的计算方法,能够对有限元结果进行定制化后处理,最终实现安全裕度的计算。
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图7 Simcenter 3D安全裕度计算
  3 设计优化:在Simcenter 3D实现结构强度一体化分析的基础上进行设计优化,优化功能通过西门子HEEDS软件实现。HEEDS是西门子一款功能非常强大的多学科设计优化工具,能够与Simcenter 3D实现无缝连接,软件之间通过特定的数据结构“表达式”进行数据交互,用户在Simcenter 3D的输入参数均可设置为表达式数据结构,从而快速导入至HEEDS软件,进行设计空间探索。
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图8 HEEDS连接Simcenter 3D实现设计空间探索
  在概念设计阶段,优化目标一般为重量,在满足安全裕度的前提下,重量越小越好,重量值可从Nastran计算生成的f06文件中获取,设置HEEDS与求解器生成的f06文件关联,每次求解计算后自动从该f06文件中特定位置读取重量信息。优化约束条件一般为强度安全裕度MS >0,其通过在Simcenter 3D中计算获取,而优化变量为飞机设计参数,包括几何尺寸、位置、属性参数等,可通过导入Simcenter 3D的CAD模型参数和CAE模型参数获取。
  4 结论:本文介绍了基于Simcenter 3D + HEEDS的飞机结构强度一体化分析与设计优化解决方案,为飞机概念设计工作提供了新的思路,从软件功能层面实现了包括几何建模、有限元建模、有限元分析、强度校核的一体化分析,并将其进行优化循环迭代。
  该方案可为国内航空用户在飞机概念设计阶段的工作提供参考,考虑到目前国内航空用户普遍缺乏飞机概念设计经验,后续仍需随着用户设计经验的积累而修改完善,将设计经验与软件功能紧密结合,建立能够应用到型号工作的设计流程,形成成熟的飞机概念设计体系。           
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