面向设计的飞机翼面结构有限元自动建模技术

邓扬晨1，廖家驹1，章怡宁1，陈文浦2，孙宪学2，王庆太2，郦正能3

（1.沈阳飞机设计研究所，沈阳，110035）

（2.中国飞机强度研究所，西安，710065）

（3.北京航空航天大学，北京，100083）

摘要提出一种新的飞机翼面结构分析和优化的建模技术。引入“构件属性”的概念，利用“网状”数据结构来实施管理，并将图形用户界面（GUI）技术与CAD中的基本绘图功能相结合，从而形成具有领域特色的新一代快速和在一定条件下的自动建模系统。建模举例表明：此系统操作简单、使用方便、遵循结构分析与优化建模的专业做法。

关键词飞机翼面；结构分析；结构优化；自动建模

60年代在结构设计领域有两项辉煌成就，一个是有限元素法，另一个是结构优化法。前者能够把形状比较简单的单元集成组合，用来描述形状复杂的实际结构，这使得像飞机翼面等的分析成为现实；后者采用准则法和数学规划理论，这使得像上面问题的优化成为可能。总之，这两项工作的成功主要取决于计算机应用技术和有效的数值计算方法的成熟发展。

随着这两项技术在结构设计的应用，人们认识到：（1）计算结果的正确与否主要取决于所建结构模型本身是否合理，只有简化合理、符合客观实际的模型才有可能计算出满足精度的结果；（2）建模是整个有限元分析过程中的瓶颈问题———费时，耗费人力，并且要求使用者具有专门的力学背景知识；（3）有限元分析中的物理解释比较简单明了，结构优化中的前景诱人，从而引起了结构设计师极大的关注和兴趣；（4）一个分析和优化程序能否得到使用部门的认可和广泛应用，很大程度上取决于其前、后置处理的使用方便性和对信息的可视化能力。

目前，国外大型商业化的分析和综合软件都有自己的可视化前、后置处理系统［1］，如美国的MSC/PATRAN、MARC、EDS/UG2、FEMAP、ALGOR系列等，俄罗斯的ARGON等。但是，它们大多基于三维实体建模，直接用于飞机翼面薄

壁结构建模十分不方便。因此，针对飞机翼面薄壁结构的特征，开发专用的建模平台，对于加快建模速度、提高建模质量起着重要作用，从而为提高设计水平提供技术支持。

为满足飞机翼面结构布局设计的需求，以OuickFEM———飞机结构有限元分析智能化建模系统［2］为平台，在继承OuickFEM原有功能的基础上，采用当今世界最为流行的图形用户界面（GUI）技术，针对飞机翼面薄壁结构设计的特点，尽可能考虑设计师的创造性和主观能动性以及不受专家系统的禁锢，将CAD技术中的基本绘图手段融入其中，以形成具有领域特色的交互-自动相结合的新一代快速建模系统———AuIOFEM。它旨在为飞机翼面结构布局阶段的结构综合和分析提供一个符合设计过程、交互操作和自动化生成所需信息有机结合、并具有一定智能化查错和纠错能力的建模系统。

1 AutoFEM的建模策略

AuIOFEM是为“国防科技‘九五’预研项目———飞机结构布局综合技术（22.3.1）”开发的自包容快速建模系统。对于飞机翼面（机翼、平尾、鸭翼和垂尾）结构，AuIOFEM除了继承OuickFEM 的建模技术外，引入“构件属性”概念后，读取飞机结构布局设计专家系统的输出信息；再读取

收文日期：20010605

作者简介：邓扬晨（1965—），男，博士，主要研究方向：结构优化中近似函数的构造及应用

邓扬晨，廖家驹，章怡宁，陈文浦，孙宪学，王庆太，郦正能：面向设计的飞机翼面结构有限元自动建模技术

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气动力载荷数据、材料库数据和翼型库数据；（1）当专家系统的输出信息完备时，可以自动生成用于结构分析的数据和可视化模型、用于静力/模态分析和动/静气弹分析的数据模型；（2）当专家系统的输出信息不完备时，可以通过人工干预和交互操作的方式将输出信息完备化，然后同样可以完成上述工作和翼面结构的优化建模。当前，优化模型仅实现了满应力数据的交互生成。这里，将翼面的承力蒙皮、梁、墙、长桁、加强肋、普通肋以及连接接头均称为“构件”；将“构件”各自的几何特征参数（厚度、剖面积等）和物理特征参数（材料特性等）一起称为“属性”；将两者结合便形成了“构件属性”的概念。此处是通过“语句约定”来实现“构件属性”的，例如翼梁语句“BEAM=<序号>，<材料编号>，<起点处!坐标>，<起点处"坐标>，<起点处突缘面积>，<起点处腹板厚度>，<起点处尚未定义的参数>，<终点处!坐标>，<终点处"坐标>，<终点处突缘面积>，<终点处腹板厚度>，<终点处尚未定义的参数>”。当属性内容增加时，用“尚未定义的参数”来描述。本建模系统的基本框架如图1所示，需要解释的内容如下：

（1）布局语句文件它包含飞机翼面总体布局参数和结构布局参数，其中前者做为已知条件，后者由专家系统给出。

（2）气动载荷文件将各种情况的气动载荷做为已知条件输入或者由用户人工给出。它采用“网状”数据结构进行管理。

（3）材料库它收集了飞机结构常用的各种金属材料和复合材料。数据管理是采用数据库形式进行的，具有一次建立、永久使用的特点。该库对建模系统是自封闭的；对用户是开放的。

（4）翼型库它收集了若干常用的翼型。同样，它的数据管理也是按照数据库形式进行的，具有一次建立，永久使用的特点。该库对建模系统是自封闭的；对用户是开放的。

（5）自动校正“共线点”引入“构件属性”概念后，使得“构件”上的“点”和“线”相互关联，通俗地说，就是“点”在“线”上，“线”通过“点”。而由于误差的影响，通常使得“点”与“线”不再关联，为解决这一问题，进行了点线校正。

（6）弦平面图形交互修改为用户能够更好

地发挥其设计主观能动性和创造性提供一个可以操作的平台。

图1AUIOFEM的基本框架

（7）拓扑网格和约束处理利用“点”与“线”彼此关联的特征，使得有限元网格能够自动生成；利用承力结构件所固有的特点，使得约束施加能够自动获得。

（8）生成的8个IGES文件考虑建模工程师的常规做法和对所建模型校对的方便以及用于优化（准则法和数学规则法）数据块的准备工作，自动生成的8个IGES文件分别是：上/下翼面节点编号图、上/下翼面蒙皮板单元编号图（含节点编号）、上/下翼面杆单元编号图（含节点编号）、骨架（腹板单元编号）图和立柱单元编号图。

（9）交互生成满应力优化数据通过鼠标选取节点的方式来圈定“链化的设计变量”和利用鼠标选取单元的方式来确定“关键元”。这种交互操作使用起来十分简洁和方便。

2 AutoFEM应用举例

有关算例的主要信息见表1。主要操作界面如图2所示。三个建模算例所生成的模型图如图3所示。

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邓扬晨，廖家驹，章怡宁，陈文浦，孙宪学，王庆太，郦正能：面向设计的飞机翼面结构有限元自动建模技术

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（a）AUIOFEM输入菜单（b）AUIOFEM交互操作菜单

图2AUIOFEM主要操作菜单

（a）LayOUIl模型（b）LayOUI2模型（c）LayOUI3模型

图3AUIOFEM所建模型的生成与显示

!"结论

针对飞机翼面结构布局设计的实际需求，本文提出一种面向设计的飞机翼面结构建模技术，并相应开发了既有交互操作又有自动生成所需信息的快速建模系统———AUIOFEM。此外，该系统还可供飞机翼面结构概念设计、初步设计和详细设计阶段使用。本软件具有以下特色：

（l）建模过程遵循飞机翼面结构有限元和优化建模的专业做法。

（2）程序可靠、操作简单、使用方便、有较完善的出错诊断和初步的纠错功能。

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（3）采用全中文的菜单、对话和各种提示信息。

（4）有较完善的三维图形变换显示功能，可视化功能强。

（5）许多操作使用鼠标完成，数据自动处理功能强，建模速度快和一定条件下的自动建模。

（6）具有数据库特色的数据管理功能，利用“网状”数据结构对各类数据进行有效管理。

（7）可定义材料库、翼型库、辅助坐标系库等，一次建立，永久使用。

（8）具有将气动载荷快速等效地施加到所建模节点上的功能。

（9）针对建模的继承性和连续性，具有保护和恢复操作现场的功能。

（10）生成结构分析与优化所需的全程信息。

致谢

本项研究工作得到沈阳飞机设计研究所的资助。同时，作者受益于与以下学者的交流和讨论，他们是南昌650所刘英卫研究员、北京航空航天大学方卫国副教授和沈阳601所朴春雨高级工程师、王彦红工程师等同志。

参考文献

［1］ Stevns D C ，Striz A G ，Yurkovich R N.An interactive model

generator /preprocessor for the multidisciplinary optimization aircraft.AIAA -94-4402-CP ，1994

［2］孙侠生，陈文浦，陈焕星.面向设计的航空结构有限元

建模技术研究.航空学报，1998，19（4）：509-512

DESIGN -ORIENTED FINITE ELEMENT AUTO -MODELING

TO AIRCRAFT WING STRUCTURES

Deng Yangchen 1，Liao Jiaju 1，Zhang Yining 1，Chen Wenpu 2，Sun Xianxue 2，Wang Oingtai 2，Li Zhengneng 3

（1.Shenyang Aircraft Design &Reseach Institute ，Shenyang 110035，China ）（2.China Aircraftfs Intensity Research Institute ，Xifan 710065，China ）（3.Beijing University of Aeronautics and Astronatics ，Beijing 110083，China ）

Abstract

A new kind of modelling was proposed on aircraft wing structural analysis and optimization.

The cancept of part attribute was set forth and the system was controled by utilizing a special date structure which called net shape .The authors combined GUI with some basic functions in CAD and formed a new genera-tion of guick and auto modelling system that owns a professional characteristic.The examples showed that the operation was simple and convinent.The framework of the system abided to ideas of structure designer and structure analysist.

Keywor s aircraft wing ；structural analysis ；structural synthesis ；auto -modeling

31?邓扬晨，廖家驹，章怡宁，陈文浦，孙宪学，王庆太，郦正能：面向设计的飞机翼面结构有限元自动建模技术

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面向设计的飞机翼面结构有限元自动建模技术

作者：邓扬晨，廖家驹，章怡宁，陈文浦，孙宪学，王庆太，郦正能

作者单位：邓扬晨,廖家驹,章怡宁(沈阳飞机设计研究所,沈阳,110035)，陈文浦,孙宪学,王庆太(中国飞机强度研究所,西安,710065)，郦正能(北京航空航天大学,北京,100083)

刊名：

飞机设计

英文刊名：AIRCRAFT DESIGN

年，卷(期)：2002(1)

被引用次数：2次

参考文献(2条)

1.Stevns D C;Striz A G;Yurkovich R N An interactive model generator/preprocessor for the multidisciplinary optimization aircraft 1994

2.孙侠生;陈文浦;陈焕星面向设计的航空结构有限元建模技术研究[期刊论文]-航空学报 1998(04)

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2.王玲基于MSC.Patran的航空结构建模技术研究[学位论文]硕士 2005

引用本文格式：邓扬晨.廖家驹.章怡宁.陈文浦.孙宪学.王庆太.郦正能面向设计的飞机翼面结构有限元自动建模技术[期刊论文]-飞机设计 2002(1)