[发明专利]一种基于三维CST技术的调整机翼有限元模型的方法

说明书

本发明公开了一种基于三维CST技术的调整机翼有限元模型的方法，首先确定三维机翼气动外形的总体控制参数，构建用三维CST方程描述的机翼外形；根据机翼模型的不同分区定义节点编号规则abcdefgh，并实现结构有限元模型的参数化构建；提取机翼表面结构的有限元模型节点坐标及对应的编号，得到外形控制参数下的归一化坐标，并根据需修改的结构件站位比进行修改，回代机翼外形的三维CST方程，修改其真实的笛卡尔坐标；最后利用线性插值与径向基插值更新机翼翼盒与前后缘区域的内部有限元节点坐标，完成三维机翼有限元模型的快速修改。本发明通过模型的数字化表达方式，实现了机翼结构有限元模型的坐标快速更新，具有使用方便、效率高的特点。

技术领域

本发明涉及一种基于三维CST技术的调整机翼有限元模型的方法，属于有翼飞行器结构力学学科的模型调整技术，特别涉及考虑将气动外形的数学化表达技术、基于邻域转换插值方法的网格随动技术，以快速获得同种结构布局但结构站位不同条件下的机翼结构有限元模型。

背景技术

在飞行器设计制造的过程中，更新迭代是不可避免的问题，通常情况下为了实现设计对象的良好性能，往往需要对数字模型不断调整，开展包括结构优化在内的多学科优化分析，以期最大程度的发挥结构效率与性能。然而在传统的设计思路中，通常通过模型的参数化手段来实现模型的反复修改，这一点在飞机的总体设计和详细设计阶段都在很大程度上影响了迭代设计过程中模型修改的难度和效率。尽管随着商业软件的快速发展，已经在一定程度上简化和降低了建模的复杂性和难度，但是问题本身的难度并没有得到简化，重复性质修改与建模仍然在困扰着设计人员。

为了克服这一技术瓶颈，目前必须要考虑在保证结构有限元模型与机翼气动外形保持良好匹配的情况下，如何在最大限度的减少重复建模的工作量。当前与之相关的研究进展主要体现在(1)对于气动外形的解析化表达，如类别/形状函数技术、FFD自由变形技术，通过数学形式的描述，不依赖于图形引擎，一方面为后续的模型调整提供了便利，另一方面通过数学函数的形式控制，保证了外形曲面的精度。(2)通过邻域插值技术的发展，可以实现在表面发生变形的情况下内部结构实现跟随的匹配变化。但是比需要指出的是，在这两种技术发展的基础上，如何能够有效地将解析化的气动外形与结构有限元模型结合以及如何利用这两种技术提高模型构建的效率，这些都是工程当中的实际需求，当前的相关研究还无法解决该问题，因此将结构设计进一步地利用数学化的形式进行表达，实现不同区域的结构随动，对于形成和完善机翼设计方法、缩短有限元建模周期具有显著的现实意义。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服在机翼结构优化设计中更新迭代时需要重复进行结构有限元模型的重复构建所带来的低效性问题，提供一种基于三维CST技术的调整机翼有限元模型的方法，将用于描述气动外形的三维CST方程与插值技术有效地结合，针对工程设计过程中机翼结构的主构件站位调整需求，既实现了结构件站位的快速修改，也保证了主构件站位调整时与气动外形的良好吻合，对工程实际有很好的指导意义。

本发明技术解决方案：一种基于三维CST技术的调整机翼有限元模型的方法，步骤如下：

第一步：确定三维机翼气动外形的总体控制参数；采用三维CST技术中的三维机翼曲面外形的表达式z(x,y)，将总体控制参数代入该表达式，求得三维机翼曲面外形点的坐标(x,y,z)；

第二步：以第一步得到的三维机翼气动外形点为基础，得到三维机翼曲面；更麻烦将三维机翼分为前缘、后缘和中间翼盒区域，设置三种不同区域的网格密度，并以三维机翼的展向、弦向和厚度方向为基础，得出8位数的节点编号规则abcdefgh；然后借助有限元前处理软件Patran建立三维机翼的梁、肋、腹板结构件以及蒙皮结构，完成整体网格的生成、单元属性和材料属性的设置，实现在总体控制参数下的结构有限元模型的参数化构建；