飞机金属加筋壁板结构强度校核软件设计与实现

艾森,王晓辉,许向彦,吴存利,聂小华

(中国飞机强度研究所 计算结构技术与仿真中心,西安 710065)

加筋壁板结构是飞机结构中最大的主承力构件,同时也是受力最严重的结构组件,承担着来自飞机大部件结构传递的拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲等载荷情况,因此广泛应用于机翼、机身、平尾、垂尾等典型部段。

在飞机结构的强度校核中,对于加筋壁板的分析与校核,一般采用工程方法或半经验公式获得结构元件的许用值,然后利用从总体有限元分析结果中提取的工作应力计算安全裕度,以此作为评估结构是否安全的指标。在此过程中,工程师需要首先结合自身掌握的工程经验和知识储备来确定当前结构的强度计算类型和相应的计算公式,如结构的拉伸、压缩等强度,然后通过查阅相应的数据图表以确定强度计算公式中各个参数的取值。工程师面对的这一强度校核过程存在着计算周期长、技术含量高、运算量大和重复性强等特点,尤其针对加筋壁板结构的强度计算,这些情况更为突出,严重制约着飞机结构设计的整体进度和效率。

为解决强度计算周期长、重复性工作量大与快速的结构设计需求之间的矛盾,国内外各大主机厂所均开展了强度校核流程自动化的工作。如,波音、空客公司基于商业软件开发了大量的自动化的强度校核方法库,集成了计算方法、力学模型、试验数据、曲线、图表等专业的方法库和模型数据库,成功应用于A350飞机设计中,有效提高了强度校核工作的效率[1]。汤超等[2]基于MSC.Patran商业软件,通过二次开发技术,研发了飞机壁板结构强度校核系统,实现了机身、机翼等壁板结构自动化的强度校核流程。同样,该团队还针对飞机典型耳片结构设计了强度校核系统,用于提高设计效率[3]。王晓辉等[4]专门针对蜂窝夹层结构研发了一套自动强度校核软件,实现了金属蜂窝结构在各种校核情况下的全自动强度计算。牟全臣等[5]基于CAESAM开发环境研发了StrenBox结构强度自动化计算软件。

从目前公开的文献来看,国内的各大主机厂所研发的自动化强度校核软件主要在国外有限元软件基础上进行二次开发,这样造成的问题是严重依赖于国外软件、未形成具有自主知识产权的相关软件。因此,为摆脱对国外同类产品的依赖、同时实现飞机结构设计中强度校核的快速迭代,亟需研发具有自主知识产权的自动化强度校核软件。

针对上述问题,本文在文献[4]的基础上,针对飞机金属加筋壁板结构研发了自动化的强度校核软件。该软件集成于国产CAE软件HAJIF中,拥有独立的前后置和友好的数据交互机制,完全实现了软件的自主可控。本文针对该强度校核软件的设计思想、流程和功能特点进行描述,为自动化强度校核软件的设计提供参考

1 强度校核流程及需求分析

1.1 强度校核流程说明

为研发适用于加筋壁板结构强度校核软件,首先对强度校核流程进行说明。典型的加筋壁板结构如图1所示,主要由蒙皮和长桁组成。从结构元件来说,主要分为蒙皮元件的强度校核和长桁元件的强度校核;从总体分析而言,主要进行长桁和蒙皮组合结构的分析。强度校核项目如图2所示(仅列出部分典型的类型)。

图1 飞机典型加筋壁板结构

图2 金属加筋壁板强度校核项目

对于飞机金属加筋壁板结构,强度分析与校核的工作流程主要包含两部分:结构的许用值计算和工作应力的提取,如图3所示。

图3 飞机金属加筋壁板结构强度分析与校核的工作流程

对于许用值计算,工程师可根据校核部位承力情况首先决定是按单个原件校核,还是按组合结构校核,这将决定校核公式的选取。一旦确定了所采用的校核公式,则只需结合具体校核部位的参数确定校核公式中各个变量的取值,即可完成许用值得计算。具体校核方法可参考文献[6-12]。

为获得结构的安全裕度,还需从总体有限元分析结果中获取结构的工作应力[13]。安全裕度计算式为

(1)

式中:[σ]为结构的许用应力,可以是正应力或剪应力,有时也可以是结构的许用力;σ为结构的工作应力,同样可以是正应力、剪应力或工作力。

1.2 软件需求分析

飞机金属加筋壁板结构强度校核软件的研发目标是,在现有国产CAE软件基础上,根据飞机金属加筋壁板结构强度校核流程,构建自动化强度校核平台,通过友好的前后置界面,最大程度地化简强度校核计算量和重复性工作。因此,软件应具备以下功能:

1) 符合强度校核流程,为工程师提供向导式的强度校核软件;

2) 能够批量化进行强度计算,在载荷更新时,满足大型飞机结构强度校核的快速迭代;

3) 提供丰富的材料数据库、曲线数据库,替代厚重的纸本作业模式;

4) 具备友好的前后置界面和显示效果,实现校核部位的快速分组、安全裕度计算结果的直观显示以及结果数据的快速查询;

5) 一键式校核报告自动生成,让工程师从繁琐的文字编写工作中解脱出来,将主要精力用于产品的研发和性能分析;

6) 程序代码具有易维护性、可扩展性,降低后续研发人员维护和扩展强度校核软件功能的困难和复杂度。

1.3 软件特点

目前而言,国内大型飞机强度设计部门均有自己专门的强度校核软件。但据公开文献所言,这些软件研发思路无非有两种:一种是基于成熟的商业有限元软件进行二次开发,以适应强度设计单位内部的校核流程和规范;第二种是完全研发具有自主知识产权的强度校核软件,但这种途径研发出的强度校核软件很少有完善的前后置,和模型的交互性较差,大量的参数需要人工输入,所以在简化工作量方面并不占优势。

综上,对比目前同类软件,本文研发的强度校核软件主要特点包括:

1) 基于国产CAE软件HAJIF研发,程序代码完全自主化,与HAJIF平台的前后置无缝对接,在校核部位的确定、工作应力的提取等方面都具有良好的交互性和便捷性。

2) 程序采用Python语言编写,具有跨平台特征,易于移植与功能的扩充,尤其借助第三方库,可快速新增强度校核公式。

3) 强度校核公式中所涉及的需要查图表的参数,已完全实现了数值化,用户输入横坐标值,即可获得精确的纵坐标值。

4) 基于SQLite数据库技术研发的材料数据库,可直接与强度校核软件中的材料数据对接,可快速提取到材料强度值。

5) 拥有强大的有限元模型前后处理功能,用户可直接在HAJIF前后置界面上快速定义需要校核的部位,并直观的高亮显示,避免了诸如Excel等软件的无可视化的作业模式。

软件立足工程、面向应用,以降低强度校核工作量为目的,充分吸收国内外同类优秀软件的功能和界面风格,旨在打造一款真正通用、兼顾专业的强度校核软件。

2 强度校核软件设计

2.1 软件架构设计

强度校核软件采用统一分层架构设计思想,将强度校核过程涉及的文件管控、数据传输、算法设计、流程组织等通过模块划分予以解耦,分解为基础通用模块和专用模块,并采取统一的数据交互机制和流程组织,实现不同强度类型的分析流程。这种模块分解方式可以有效地解决数据传输、流程控制、程序执行等过程中的问题。

基础通用模块可以作为有限元模型显示与操作的公共平台,在强度校核过程中,大量的有限元模型操作都需要一个通用的模型交互平台作为有力支撑;专用模块主要针对强度校核流程涉及的参数配置、计算、结果提取、显示等过程而专门研发的。各个独立的模块将通过统一的执行调度机制,形成强度校核的有机整体。

2.2 软件模块设计

软件主要由4大模块组成,分别为前端界面模块、强度计算模块、工作应力提取模块以及结果后处理模块。由于在强度校核过程中,涉及到大量与有限元模型交互的操作,因此,该软件以HAJIF提供的前后置作为基础通用平台,完成有限元模型的操作和显示。软件整体界面如图4所示。

图4 飞机金属加筋壁板结构强度校核软件前端界面

下面对这各个模块的设计细节进行描述。

1) 前端界面模块

前端界面提供了强度校核所必须的参数,包括许用值计算参数及工作应力提取参数。当用户按照界面要求输入完整的参数后,会在后端形成参数文件,并与强度计算模块进行数据传递。

前端参数文件的数据以JSON格式向后传递。JSON是一种能够代替XML的轻量级数据交互格式,易于阅读和编写,同时也易于机器解析和生成。前端界面输入的强度校核参数通过JSON数据格式转换为相应的集合对象,并逐层封装成本地数据模型对象[14-15]。

为实现批量化的强度计算流程,用户在确定校核部位时,可建立多个单元组,每个单元组可以对应多个校核类型。这样形成的JSON文件如下所示:

{

“global_MS”:1,

“Elm_group_1”:{

“ElmsID”:[100,31522350,31522351,31522352],

“type1”:{

“typename”:“sc11001”,“MS”:1,

“Strength_paras”:{

“profile_T”:[10, 10, 2, 5],

“mat_sigmaultp”:435.0,

“rivetNum”:2,

“dn”:3

},

“res_paras”:{

“Elm_direct”:“NORMAL-X”,

“Ext_methods”:1

}

}

}

}

JSON数据可以看作“键:值”,包括了单元组(ElmsID)、校核类型(type);针对每个校核类型,包含了强度计算参数(Strength-paras)和结果提取参数(res-paras)。

为最大程度的减少输入参数的工作量,对于材料参数,部分数据可以直接从有限元模型中获取,但如果用到材料的屈服强度或极限强度,则可以从材料数据库中获取[16];对于蒙皮的尺寸,如果是规则区域,则可以直接计算,如果是不太规则区域,则提供测量功能,直接从有限元模型中量取。但无论是何种参数获取方式,均提供手动输入的功能,引导用户确定输入参数的正确性。

2) 强度计算模块

为完成一个校核区域的强度计算,需要首先在前置中划分好需要校核的区域,形成校核组,然后根据校核区域的受载情况,选择对应的校核类型,并在对应位置填入该校核类型计算时所需要的结构几何参数和材料参数。

组信息、强度计算参数、结果提取参数等信息由前端界面输出的JSON文件提供,进入到强度计算模型时,首先读取JSON参数文件。然后该模块会根据校核类型自动调用对应的强度计算子程序,以实现许用值的计算。

在各个子程序中,首先判断该种校核类型的强度数据是否完整且正确;然后利用对应该种校核类型中的计算公式计算结构许用值,并以JSON格式写输出,以供前端界面显示。

3) 工作应力提取模块

在该模块中,程序将根据用户提供的参数来确定工作应力。目前,程序提供了常用的杆单元、梁单元、三角形单元及其四边形单元的应力及力的提取,可根据当前组的单元类型提取相应的工作应力。

工作应力的确定在一定程度上受当前强度校核类型的限制。比如,当校核类型为蒙皮剪切时,工作应力受两个条件限制:① 单元类型只能是壳单元,而不可能为1维单元;② 当单元类型为壳单元时,提取的单元应力只能是剪应力,而不可能是正应力。因此,在具体程序设计时,类似受限问题进行了考虑。

此外,为保守起见,如果是多工况的计算结果,工作应力以所有工况中最大的结果作为校核所用的工作应力,这样校核出来的结果更为保守。

4) 结果后处理模块

该模块提供了安全裕度的可视化显示和报告生成。针对每个单元组,计算完安全裕度之后,会将所有计算结果以JSON文件写出,然后前端界面自动加载结果。安全裕度可以在HAJIF软件中以云图的形式展现出来,用户可以直观地看出结构各个部位的校核情况。同时,为了方便用户获取校核结果,所有的计算结果均以报表的形式存于工作路径下,可直接查看。

3 工程应用案例

为验证本文研发的金属加筋壁板结构强度校核软件的可靠性,选取某型飞机机身壁板作为校核对象。图5所示为该壁板的有限元模型,采用精细网格建立,亦即框和长桁包围的蒙皮由多个网格构成。相对于自然网格模型而言,精细模型能精确地得到结构的变形及应力/应变,但增加了强度校核的工作量和难度[17]。

图5 某型飞机机身壁板有限元模型

针对这种采用精细网格建立的有限元模型,在强度校核时,首先确定校核区域。以图5中红色标记区域的蒙皮作为校核部位,该部位包含15个校核区域(框和长桁包围的蒙皮为一个校核区域),同时给出校核部位的应力云图,如图6所示。可见,该校核部位在受力主方向上(X方向)主要承受拉伸载荷,其应力计算结果均为拉伸应力。

图6 校核区域应力云图

为评估校核部位是否安全可靠,选用图4所示的蒙皮拉伸强度分析为校核类型。该校核类型需要输入材料的强度极限、钉孔削弱系数等参数[6]。分别针对15个校核区域建立对应的分析情况,提交计算后,软件将自动加载校核结果。如以图5所示的校核区域①为例,材料为7475铝合金,强度极限为517 MPa,按钉孔削弱系数为0.8计算,许用值为413.7 MPa;提取到的工作应力为134.0 MPa,由此可利用式(1)计算出安全裕度为2.09。

图7为15个校核区域最终计算出的安全裕度云图,由于采用精细网格建模,每个校核区域可认为是自然网格的细化,因此每个校核区域整体用于一个评估结果。从安全裕度云图上可见,每个区域尽管许用拉伸应力一致,但由于结构传力不同,导致工作应力不同,进而安全裕度计算结果不同;而且从云图上可以直观的反映出结构哪些部位偏安全(安全裕度大),哪些部位偏危险(安全裕度小)。

图7 蒙皮拉伸情况安全裕度云图

上述过程如果采用纯手工的作业模式,则首先要从有限元模型中手动提取几何尺寸和材料信息,并在Excel表格中建立相应的数据和计算公式,完成校核部位许用值计算;然后,从有限元分析结果文件(如f06文件)中依次提取各个工况下各个单元的工作应力,并筛选确定用于表征校核部位的单元,提取最大工作应力,才能计算安全裕度。粗略地将人工校核和利用软件校核所需的时间成本进行了对比,如表1所示。

表1 校核时间成本对比

由表1可见,人工校核过程将在公式编辑、工作应力提取、报告撰写等过程中消耗大量的时间成本,而利用强度校核软件,只需定义好需要校核的部位和相关参数,就可以直接利用内部程序计算许用值、提取工作应力、对比安全裕度,并自动生成校核报告。说明开发的强度校核软件有助于提高强度校核效率、减轻工程人员的工作量,并且具有良好的用户交互与显示功能。

4 结束语

在国产CAE软件HAJIF平台基础上,针对飞机金属加筋壁板结构研发了强度校核软件。该软件采用统一分层架构设计思想,将各个功能模块化解为基础模块和专用模块。以国产CAE软件HAJIF的前后置作为强度校核软件的有限元模型图形交互通用平台,并依次研发了强度校核参数配置的前端界面、强度计算、工作应力提取、结果后处理等专用模块。各个模块之间的数据传递采用JSON格式,并利用执行控制程序实现各个模块的调度、计算及显示。应用该强度校核软件进行飞机加筋壁板的强度校核,将显著提供工作效率。后续将以此为基础,扩展更多的强度计算功能,从而实现全机结构的强度分析与校核。