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飛機氣動結構的設計不僅需要抵抗飛行中遇到的靜態(tài)載荷，還需要抵抗動態(tài)載荷，以避免潛在的氣動耦合所引起的顫振影響。

(資料圖片僅供參考)

基于這個原因，飛機設計中的一個重要步驟是對機身上的方向舵副翼和擾流板附件進行結構分析，以生成用于評估氣動彈性性能的剛度值。但這些結構附件區(qū)域存在大量的緊固件，建模過程是十分復雜的，一般需要從全機模型的粗網(wǎng)格向機翼和控制表面進行過渡，核心關鍵區(qū)域需要更精細的網(wǎng)格。

面臨挑戰(zhàn)

在過去，灣流工程師使用Huth方法對連接區(qū)域的緊固件進行建模，這需要在Excel電子表格中手工計算剛度值。緊固件附近區(qū)域的控制面需要網(wǎng)格細化、節(jié)點需要與網(wǎng)格對齊，這是一個非常繁瑣耗時的過程。每個控制面附件通常有大約75個緊固件，使用Huth方法分析每個緊固件大約需要5分鐘，每個組件總共需要大約375分鐘。

之前建模方法的另一個難點是需要手動調整過渡區(qū)域的網(wǎng)格。灣流工程師最初使用三角形單元用于過渡語的網(wǎng)格，單元的拆分需要大量的手動調節(jié)，并且由于三角形單元本身的局限性也降低了求解的準確性。

圖 1: 通過三角形單元由粗四邊形網(wǎng)格向精細四邊形網(wǎng)格過渡

新機型的設計上每個控制面上都有大量的機構運動副構成，通常是方向舵、左右舷升降舵、左右舷副翼，以及所有六個擾流板。方向舵有四個鉸鏈位置和兩個驅動器，副翼有兩個驅動器和四個鉸鏈，升降舵有兩個驅動器和五個鉸鏈，擾流板有一個驅動器和四個鉸鏈。這些構件的建模和分析需要在一到兩個月內完成，以滿足典型飛機計劃的調度要求。

灣流公司工程師Brian Smith表示:“建模過程中涉及的大量手工調整，需要一個由六人組成的團隊來完成大部分工作。前一種方法的另一個問題是三角形單元的使用。通常，四邊形單元比三角形單元更受歡迎。三角形單元通常不如四邊形單元準確。多數(shù)情況下使用四邊形單元居多。

解決方案

灣流現(xiàn)在使用Patran中嵌入的Rutman實用程序對緊固件進行自動化建模。灣流工程師只需在Patran中指定緊固件材料、直徑、長度和其他一些參數(shù)，就可以對緊固件進行建模。程序內部則使用CBAR、RBAR以及CBUSH單元的組合自動對緊固件進行建模，該單元組合可以正確模擬扣件接頭的工作狀態(tài)。灣流應力工程師Rodrigo Guimaraes表示:“Rutman緊固件程序的使用使灣流工程師能夠將備用結構與實際幾何結構連接起來，而不是對模型進行理想化和簡化處理，大幅提高了模型的精度與建模效率?！?/p>

圖2: 模型中緊固件Rutman自動處理工具

灣流工程師通過使用 MSC Nastran Edge-to-Edge粘接功能來連接不同尺寸的網(wǎng)格單元，改進了細網(wǎng)格和粗網(wǎng)格之間的過渡。MSC Nastran內部會從從節(jié)點到主節(jié)點進行搜索，一旦檢測到接觸，內部會生成MPC方程將從節(jié)點連接到主節(jié)點。這大大簡化了連接不同網(wǎng)格的過程，并且可以在沒有過渡單元的情況下從粗網(wǎng)格直接過渡到細網(wǎng)格。Smith說:“通過消除過渡網(wǎng)格的需要，粘接接觸可以減少所需細網(wǎng)格的面積，從而減少約50%的單元數(shù)量，并大致可按比例減少求解模型所需要的時間?！闭辰咏佑|還消除了對三角形過渡單元的需要，并減少了設計更改時的重新網(wǎng)格劃分的要求。

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圖3: 粘接接觸取消了傳統(tǒng)網(wǎng)格過渡區(qū)的使用

Guimaraes總結道:“新方法大大減少了緊固件建模和粗-細網(wǎng)格過渡所需的時間，同時提高了模型的準確性。”每個緊固件的建模時間已減少至30秒，每個組件節(jié)省了約5小時37分鐘的時間。對于一個典型的有六個部件的機翼，僅緊固件一項就節(jié)省了33小時45分鐘的時間。同時，粗細網(wǎng)格之間的過渡也節(jié)省了大量的時間。每個組件建模所需的時間已經(jīng)從最開始的2~4周減少到1周，在未來的同類項目中最多只需要兩名工程師，這是過去所需人員數(shù)量的三分之一。最后，在最近的一個項目中，通過用更高精度的網(wǎng)格更準確地表示實際結構來降低分析中的保守性，這導致內側升降舵?zhèn)溆媒Y構的剛度增加了71%，外側升降舵?zhèn)溆媒Y構增加了62%。網(wǎng)格優(yōu)化后，支撐結構的抗扭剛度提高了61%左右，這些改進使得使用更輕、更便宜的結構成為可能。

關于灣流航空

灣流航空公司是通用動力公司的全資子公司，負責設計、開發(fā)、制造、銷售、服務和支持先進的公務機。自1958年以來灣流已經(jīng)為全球客戶生產(chǎn)了2000多架飛機 。灣流提供了一個全面的機隊，包括寬艙高速灣流G150?全新大機艙、中檔灣流G280?大機艙，遠程G450?大客艙超遠程灣流G550?和超大客艙超遠程G650?。灣流還通過灣流預購飛機銷售提供飛機所有權服務，該公司在全球12個地點擁有超過13,000名員工。

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