[发明专利]一种基于有限元分析的飞行器结构质心漂移量高精度设计方法

说明书

一种基于有限元分析的飞行器结构质心漂移量高精度设计方法，该方法为建立结构的有限元模型，提取模型不同区域材料的密度信息；匹配单元类型，将二维有限元单元离散成三角形单元，三维有限元单元离散成四面体单元；提取属于同一个三角形单元和四面体单元的有限元网格节点的初始坐标；根据三角形单元和四面体单元的节点坐标，计算单元的体积，结合材料密度可得有限元单元的质量；应用整体质心公式计算有限元分析之前结构整体的质心坐标；提交有限元模型进行分析；提取有限元分析后的三角形单元和四面体单元节点坐标，计算单元变形后对应单元的质心，进而计算有限元分析之后结构整体的质心坐标；分析前后结构整体质心的距离，即为质心的漂移量。

技术领域

本发明涉及一种基于有限元分析的飞行器结构质心漂移量高精度设计方法，属于结构有限元分析的技术领域。

背景技术

在机械装置工作的过程中，因为装置损耗、疲劳变形和热变形等因素的存在，导致机械装置的质心位置发生变化，这种情况会对机械装置的正常工作带来负面影响，尤其是对控制精度要求非常高的航空航天类机械装置，质心漂移对其正常工作的影响更为显著。例如对于工作在大气层外的飞行器，发动机燃料的消耗和热变形等因素会使飞行器的质心发生偏移，这种质心偏移的存在会导致大量级力矩的产生,扰动飞行器发动机的正常工作，从而影响飞行器的姿态控制。所以给出高精度的质心漂移计算值对保证机械装置的正常工作至关重要。传统基于解析法的质心漂移量计算方法，存在计算精度低，时间成本高等缺点，并且实际工程中机械装置的外形和轮廓通常不规则，很难通过解析计算得到质心的位置。有限元分析法将整个系统看成由有限个节点连接起来的小单元组成，在理论上可以无限细分，进而有限元模型的质心可以无限逼近系统真实的质心，且有限元分析法便于计算机编程,因此可采用基于有限元分析的方法对质心漂移量进行计算。

发明内容

本发明基于以上问题的提出，研制了一种基于有限元分析的飞行器结构质心漂移量高精度设计方法,具有如下步骤：基于几何模型并添加材料、边界条件和划分有限元网格以建立结构的有限元模型，采用二次开发方法提取模型不同区域材料的密度信息；根据有限元单元的名称从有限元单元数据库中匹配单元类型，并将二维有限元单元离散成三角形单元，三维有限元单元离散成四面体单元；通过编程自动提取属于同一个三角形单元和四面体单元的有限元网格节点的初始坐标；根据三角形单元和四面体单元的节点坐标，采用几何方法计算单元的体积，结合材料密度可得有限元单元的质量；依据三角形单元和四面体单元节点的初始坐标，根据质心公式计算单元的初始质心,然后应用整体质心公式计算有限元分析之前结构整体的质心坐标；提交有限元模型进行分析；提取有限元分析后的三角形单元和四面体单元节点坐标，应用几何方法计算单元变形后对应单元的质心，进而应用整体质心公式计算有限元分析之后结构整体的质心坐标；应用空间距离公式计算有限元分析前后结构整体质心的距离，即为质心的漂移量。

下面将本发明的技术方案详述如下：

1.一种基于有限元分析的飞行器结构质心漂移量高精度设计方法，其特征在于，包括：

步骤1:首先建立结构的几何模型，并对结构划分网格和赋予材料属性，采用二次开发的方式提取有限元模型不同区域材料的密度信息；

步骤2:根据模型中有限元单元名称从单元数据库中匹配单元类型，并采用几何方法将二维单元离散成三角形单元，三维单元离散成四面体单元；

步骤3:采用二次开发的方式通过编程提取属于同一个三角形单元和四面体单元的网格节点的初始坐标；

步骤4:根据三角形单元和四面体单元的节点坐标和几何方法计算相应单元的体积，结合步骤1中的材料密度可得有限元单元的质量，进而对三角形单元和四面体单元质量求和得到有限元结构整体的质量；

步骤5:依据步骤3中的三角形单元和四面体单元节点初始坐标，根据质心公式计算单元的初始质心,然后应用整体质心公式计算有限元分析之前结构整体的质心坐标；