基于有限元分析和结构优化的飞机垂尾质量估算

来源:用户上传      作者: 陈剑波 李海涛 余雄庆

　　摘要： 为在总体设计阶段较准确地估算飞机的质量，以垂尾为研究对象，提出基于有限元分析和结构优化的垂尾质量估算方法. 该方法的主要步骤为：用CATIA实现垂尾的参数化定义并生成CAD模型；用AVL软件进行气动载荷分析；用PCL编写程序将CAD模型导入MSC Patran中，并应用其结构优化功能计算得到垂尾质量. 在iSight中实现该估算方法的过程集成.用该方法估算某客机的垂尾结构质量，结果表明该方法可行.
　　关键词： 飞机垂尾； 质量估算； 参数化结构模型； 有限元； 结构优化
　　中图分类号： U441.5; U444.18; TB115文献标志码： B
　　
　　Mass estimation of aircraft vertical tail based on
　　 finite element analysis and structure optimization
　　
　　CHEN Jianbo1, LI Haitao2, YU Xiongqing1
　　
　　（1. College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China;
　　2. Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 200232, China）
　　
　　Abstract： To achieve more accurate estimatation of aircraft mass at general design stage, the vertical tail is taken as the study object and a mass estimation method is proposed based on finite element analysis and structure optimization. The main steps of the method is: the parametrization definition and CAD model is implemented by CATIA; aerodynamic load is analyzed by AVL software; the program is implemented by PCL to import CAD model into MSC Patran, and the vertical tail mass is estimated by structure optimization function of MSC Patran. The process of the estimation method is integrated in iSight. The mass of the vertical tail of an airliner is estimated by the method, and the results indicate the feasibility of the method.
　　Key words： aircraft vertical tail; mass estimation; parametrization structure model; finite element; structure optimization
　　
　　
　　
　　0引言
　　飞机质量估算是飞机总体方案论证的重要内容之一.准确、可靠的质量估算是比较各种总体方案和确定总体参数的重要依据之一，是保证飞机总体方案能达到设计指标的基石，同时也是制定各部件和分系统质量指标的依据.如果质量估算过于保守，则无法得到飞机最优总体方案，使其缺乏竞争力；相反，如果质量估算过于乐观，则会导致飞机总体方案存在很大风险，给后期的质量控制带来很大的麻烦，甚至制造出来的飞机有可能达不到设计指标.因此，质量估算是飞机总体方案论证的关键环节之一.
　　在飞机总体方案设计阶段，飞机结构质量的估算方法可分为3类：（1）基于统计的方法；（2）基于工程梁理论的方法；（3）基于结构有限元模型和结构优化的方法.第3种方法的计算精度最高，近年来日益受到重视.［1-2］
　　本文针对客机总体方案的垂尾结构质量估算问题，应用有限元分析和结构优化的方法研究垂尾结构质量的估算.其基本思路为：根据飞机总体设计方案生成垂尾结构CAD模型，并进行载荷分析；根据垂尾CAD模型和所承受的载荷生成垂尾的结构有限元模型；在结构有限元模型基础上进行结构优化，获得最佳结构设计方案；根据该方案，计算垂尾结构质量.
　　1垂尾结构的参数化CAD模型
　　垂尾主要由垂直安定面、方向舵和背鳍等组成.垂直安定面作为承力系统的主要部件，其结构布局安排得是否合理，对结构效率有重要影响.在垂直安定面众多的结构布局形式中，本文选用双梁式结构布局，它既可以保证结构前面部分有足够的强度和刚度，又便于后面部分悬挂舵面.垂尾盒段为承力的主要结构，为简化模型，同时又能反映垂尾的主要承力结构特点，本文主要针对垂尾盒段建立结构有限元模型.
　　垂尾盒段的外形参数化是通过CATIA的一种二次开发平台――CATIA Automation，并借助VB实现自动化绘图.CATIA提供基于Component Object Model (COM）自动化技术的二次开发接口和开放式的内部命令集合，可以方便地利用VB和VC++等开发工具访问与控制CATIA的共享对象、控制模型的生成，从而提高工作效率.
　　通过定义垂尾的几何外形参数和桁条、翼肋的个数以及间距等相关参数［3］，导入对称翼型的节点数据，得到垂尾盒段的参数化结构模型，见图1（隐藏上侧的蒙皮）.
　　
　　2载荷计算
　　确定垂尾及相关结构最大载荷的基本条件一般为偏航机动条件和侧向阵风条件，对于非T形尾翼，滚转机动条件不是垂尾结构设计的关键.［4］本文通过比较方向舵在机动条件、发动机停车状态以及侧向阵风条件对垂尾载荷的影响，确定典型的飞行状态，进而给定飞机侧滑角、方向舵偏转角以及飞行马赫数，利用AVL软件计算垂尾所受的气动载荷.AVL是一款通过涡格法快速计算飞机在非定常、可压缩来流条件下载荷情况的气动分析软件，其输入为垂尾的几何参数，经计算得到相应的载荷分布，通过4次多项式拟合可计算出垂尾沿展向的载荷分布.由于本文分析的是垂尾盒段，可将从AVL中得到的沿展向分布的气动载荷按照三角形分布施加到垂尾盒段的当地弦长上，从而得到垂尾盒段蒙皮上的压强分布.
　　3结构有限元模型和结构优化
　　通过有限元分析软件与CAD实现无缝连接，可以极大地提高设计的水平和效率.在第1节中，已利用VB驱动CATIA完成垂尾盒段的结构布置模型，然后利用MSC Patran 的PCL编写程序，读入参数变量，自动识别结构布置的CAD模型，并将模型导入MSC Patran中.

　　运用MSC Patran的几何功能生成结构分析和优化所需的面单元，将不同的结构元件按照蒙皮、肋、梁和桁条等组成部分添加到相应分组中；按照结构元件选用相应的单元模型，蒙皮、肋腹板、梁腹板选用壳单元（SHELL），梁上下缘条、肋四周缘条和桁条选用一维杆单元（ROD），并在单元上划分有限元网格；根据垂尾结构材料，定义各结构元件的材料和属性，本文选用的材料为硬铝合金2A12，其弹性模量为68 GPa，泊松比为0.33，密度为2 800 kg/m3，拉压许用应力为450 MPa，剪切许用应力为225 MPa；将气动模块得到的载荷分布以场的形式添加到垂尾盒段蒙皮上，并定义结构重力以及边界位移条件，将翼根处设为固支，完全承受垂尾的剪力、弯矩和扭矩等.［5］在优化定义阶段，将梁、肋缘条和桁条的横截面积以及梁腹板、肋腹板和蒙皮的厚度作为质量优化的设计变量，在满足相应的应力和位移约束条件下，利用MSC Patran中的优化功能，最终计算出垂尾盒段结构的质量.［6］垂尾盒段结构优化问题中的设计目标为结构质量最轻.设计变量为：(1）梁、肋缘条以及桁条的横截面积；(2）梁、肋腹板以及蒙皮的厚度.约束条件为：(1）杆的轴向应力-450~450 MPa；(2）板的剪应力-250~250 MPa；(3）垂尾翼梢变形小于10%垂尾展长.
　　通过PCL在MSC Patran中自动生成的垂尾盒段结构有限元模型（隐藏上侧蒙皮和桁条）见图2.
　　
　　4过程集成
　　基于有限元分析和优化的垂尾质量估算主要步骤包括：(1)垂尾外形参数化定义；(2)CAD模型的生成；(3)气动载荷分析；(4)在MSC Patran中生成结构有限元模型并完成质量优化的定义.垂尾质量估算流程见图3.
　　
　　应用多学科集成和优化软件iSight完成图3所示的流程.通过iSight图形化工作界面以及软件提供的试验设计和优化算法等工具，用户可以完成方案设计的过程集成、参数分析以及优化等分析和设计工作.整个垂尾质量估算的流程在iSight环境中实现，见图4.
　　
　　5算例
　　以某客机垂尾设计方案为例，在质量计算中所需的参数变量见表1.
　　
　　应用图4所示的垂尾质量估算环境，将垂尾CAD模型导入到MSC Patran中，生成计算所用的结构有限元模型，完成优化计算后得到垂尾的结构质量.为研究垂尾外形参数对结构质量的影响，在垂尾质量估算的集成环境（见图4）中将垂尾梯形比和后掠角设为变量，应用试验设计方法研究外形参数与结构质量之间的关系.图5和6分别为垂尾梯形比和后掠角与垂尾质量的关系.可知，垂尾梯形比越大，其结构质量越大；垂尾后掠角越大，其结构质量也越大.
　　
　　
　　6结束语
　　针对客机总体方案的垂尾结构质量估算问题，采用垂尾的参数化CAD建模和结构有限元模型自动生成的方法，并应用iSight软件集成整个计算流程，实现整个质量计算过程的自动化.从算例的计算结果可知，本文提出的基于结构有限元分析的垂尾结构质量估算方法可行，在总体方案的设计阶段能快速估算垂尾结构质量，并能分析垂尾外形参数对结构质量的影响.
　　
　　参考文献：
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　　［2］OLTMANN K M. Virtual engineering models for aircraft structure weight estimation, SAWE Paper No.3418［C］ // 66th Annu Conf Soc Allied Weight Engineers, Madrid, Spain, 2007.
　　［3］《飞机设计手册》总编委会. 飞机设计手册(第10册): 结构设计［M］. 北京: 航空工业出版社, 2000: 445-467.
　　［4］许云峰, LOMAX T. 民用运输机结构载荷分析: 理论与实践(8)［J］. 飞机设计参考资料, 2000(2): 38-49.
　　XU Yunfeng, LOMAX T. Civil transports structure load analysis: theory and practice(8)［J］. Aircraft Des Reference Mat, 2000(2): 38-49.
　　［5］叶天麒, 周天孝. 航空结构有限元分析指南［M］. 北京: 航空工业出版社, 1996: 449-458.
　　［6］张仲桢, 余雄庆, 胡添元. 飞翼式飞行器结构布局与构件尺寸的两级优化［J］. 计算机辅助工程, 2009, 18(1): 27-30.
　　ZHANG Zhongzhen, YU Xiongqing, HU Tianyuan. Two-level optimization on structural layout and component size of flying wing aircraft［J］. Comput Aided Eng, 2009, 18(1): 27-30.
　　(编辑 陈锋杰)

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