设计仿真 | 联合仿真助力湾流航空机翼建模求解时间提升50%

飞机气动结构的设计不仅需要抵抗飞行中遇到的静态载荷，还需要抵抗动态载荷，以避免潜在的气动耦合所引起的颤振影响。

基于这个原因，飞机设计中的一个重要步骤是对机身上的方向舵副翼和扰流板附件进行结构分析，以生成用于评估气动弹性性能的刚度值。但这些结构附件区域存在大量的紧固件，建模过程是十分复杂的，一般需要从全机模型的粗网格向机翼和控制表面进行过渡，核心关键区域需要更精细的网格。

在过去，湾流工程师使用Huth方法对连接区域的紧固件进行建模，这需要在Excel电子表格中手工计算刚度值。紧固件附近区域的控制面需要网格细化、节点需要与网格对齐，这是一个非常繁琐耗时的过程。每个控制面附件通常有大约75个紧固件，使用Huth方法分析每个紧固件大约需要5分钟，每个组件总共需要大约375分钟。

之前建模方法的另一个难点是需要手动调整过渡区域的网格。湾流工程师最初使用三角形单元用于过渡语的网格，单元的拆分需要大量的手动调节，并且由于三角形单元本身的局限性也降低了求解的准确性。

图 1: 通过三角形单元由粗四边形网格向精细四边形网格过渡

新机型的设计上每个控制面上都有大量的机构运动副构成，通常是方向舵、左右舷升降舵、左右舷副翼，以及所有六个扰流板。方向舵有四个铰链位置和两个驱动器，副翼有两个驱动器和四个铰链，升降舵有两个驱动器和五个铰链，扰流板有一个驱动器和四个铰链。这些构件的建模和分析需要在一到两个月内完成，以满足典型飞机计划的调度要求。

湾流公司工程师Brian Smith表示:“建模过程中涉及的大量手工调整，需要一个由六人组成的团队来完成大部分工作。前一种方法的另一个问题是三角形单元的使用。通常，四边形单元比三角形单元更受欢迎。三角形单元通常不如四边形单元准确。多数情况下使用四边形单元居多。

湾流现在使用Patran中嵌入的Rutman实用程序对紧固件进行自动化建模。湾流工程师只需在Patran中指定紧固件材料、直径、长度和其他一些参数，就可以对紧固件进行建模。程序内部则使用CBAR、RBAR以及CBUSH单元的组合自动对紧固件进行建模，该单元组合可以正确模拟扣件接头的工作状态。湾流应力工程师Rodrigo Guimaraes表示:“Rutman紧固件程序的使用使湾流工程师能够将备用结构与实际几何结构连接起来，而不是对模型进行理想化和简化处理，大幅提高了模型的精度与建模效率。”

图2: 模型中紧固件Rutman自动处理工具

湾流工程师通过使用 MSC Nastran Edge-to-Edge粘接功能来连接不同尺寸的网格单元，改进了细网格和粗网格之间的过渡。MSC Nastran内部会从从节点到主节点进行搜索，一旦检测到接触，内部会生成MPC方程将从节点连接到主节点。这大大简化了连接不同网格的过程，并且可以在没有过渡单元的情况下从粗网格直接过渡到细网格。Smith说:“通过消除过渡网格的需要，粘接接触可以减少所需细网格的面积，从而减少约50%的单元数量，并大致可按比例减少求解模型所需要的时间。”粘接接触还消除了对三角形过渡单元的需要，并减少了设计更改时的重新网格划分的要求。

图3: 粘接接触取消了传统网格过渡区的使用

Guimaraes总结道:“新方法大大减少了紧固件建模和粗-细网格过渡所需的时间，同时提高了模型的准确性。”每个紧固件的建模时间已减少至30秒，每个组件节省了约5小时37分钟的时间。对于一个典型的有六个部件的机翼，仅紧固件一项就节省了33小时45分钟的时间。同时，粗细网格之间的过渡也节省了大量的时间。每个组件建模所需的时间已经从最开始的2~4周减少到1周，在未来的同类项目中最多只需要两名工程师，这是过去所需人员数量的三分之一。最后，在最近的一个项目中，通过用更高精度的网格更准确地表示实际结构来降低分析中的保守性，这导致内侧升降舵备用结构的刚度增加了71%，外侧升降舵备用结构增加了62%。网格优化后，支撑结构的抗扭刚度提高了61%左右，这些改进使得使用更轻、更便宜的结构成为可能。

湾流航空公司是通用动力公司的全资子公司，负责设计、开发、制造、销售、服务和支持先进的公务机。自1958年以来湾流已经为全球客户生产了2000多架飞机 。湾流提供了一个全面的机队，包括宽舱高速湾流G150®全新大机舱、中档湾流G280®大机舱，远程G450®大客舱超远程湾流G550®和超大客舱超远程G650®。湾流还通过湾流预购飞机销售提供飞机所有权服务，该公司在全球12个地点拥有超过13,000名员工。