1.本技术属于飞机薄壁盒段结构有限元分析技术领域,具体涉及一种结构有限元模型惯性载荷施加方法。
背景技术:
2.为了提高性能、减轻重量,飞机上机翼、尾翼部位大量采用薄壁盒段结构,薄壁盒段结构为薄壁加筋结构,具有较高的承载效率。
3.在飞机设计阶段,多采用结构有限元模型对薄壁盒段结构进行仿真辅助设计,结构有限元模型描述结构在外载荷作用下的变形和内部载荷,其中,惯性载荷是飞机载荷的重要组成部分,采用结构有限元模型对薄壁盒段结构进行仿真辅助设计时,需要在其上准确施加惯性载荷,然而基于现有的技术方案难以实现惯性载荷在结构有限元模型上的准确施加,严重影响对薄壁盒段结构分析的准确性。
4.鉴于上述技术缺陷的存在提出本技术。
5.需注意的是,以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案,其并不必然属于本专利申请的现有技术,在没有明确的证据表明上述内容在本技术的申请日已经公开的情况下,上述背景技术不应当用于评价本技术的新颖性和创造性。
技术实现要素:
6.本技术的目的是提供一种结构有限元模型惯性载荷施加方法,以克服或减轻已知存在的至少一方面的技术缺陷。
7.本技术的技术方案是:
8.一种结构有限元模型惯性载荷施加方法,包括:
9.构建结构有限元模型;
10.在结构有限元模型中配置各构件的材料密度,构建质量有限元模型;
11.在质量有限元模型中配置各构件的质量加权系数,使各个构件的质量与期望质量相符,配置结构惯性载荷的方向及其加速度系数;
12.将结构所受的惯性载荷离散到结构有限元模型的节点上。
13.根据本技术的至少一个实施例,上述的结构有限元模型惯性载荷施加方法中,所述将结构所受的惯性载荷离散到结构有限元模型的节点上,包括:
14.将结构所受的集中惯性载荷离散到结构有限元模型的节点上,具体为:
15.基于拉格朗日(lagrange)乘子法,将结构所受的集中惯性载荷离散到结构有限元模型的节点上。
16.根据本技术的至少一个实施例,上述的结构有限元模型惯性载荷施加方法中,所述基于拉格朗日(lagrange)乘子法,将结构所受的集中惯性载荷离散到结构有限元模型的节点上,具体为:
17.[0018][0019][0020][0021]
其中,
[0022]
p
j
为结构所受的集中惯性载荷在结构有限元模型j节点的分配;
[0023]
l
j
为结构所受集中惯性载荷的点至结构有限元模型j节点的距离;
[0024]
λ,λ
x
,λ
z
为lagrange乘子;
[0025]
x
j
为结构有限元模型j节点在x方向的坐标;
[0026]
z
j
为结构有限元模型j节点在z方向的坐标;
[0027]
n为结构有限元模型节点的数量;
[0028]
x
a
为结构所受集中惯性载荷的点在x方向的坐标;
[0029]
z
a
为结构所受集中惯性载荷的点在z方向的坐标;
[0030]
p
a
为结构所受的集中惯性载荷。
[0031]
根据本技术的至少一个实施例,上述的结构有限元模型惯性载荷施加方法中,所述将结构所受的惯性载荷离散到结构有限元模型的节点上,包括:
[0032]
将结构所受的连续分布惯性载荷离散到结构有限元模型三角形单元的顶点上;或者,
[0033]
将结构所受的连续分布惯性载荷离散到结构有限元模型四边形单元的顶点上。
[0034]
根据本技术的至少一个实施例,上述的结构有限元模型惯性载荷施加方法中,所述将结构所受的连续分布惯性载荷离散到结构有限元模型三角形单元的顶点上,具体为:
[0035][0036][0037][0038][0039][0040]
[0041][0042][0043][0044]
其中,
[0045]
f
i
、f
j
、f
m
为结构所受的连续分布惯性载荷在结构有限元模型三角形单元顶点i、j、m处的分配;
[0046]
n
i
,n
j
,n
m
为lagrange乘子,是结构有限元模型三角形单元形函数;
[0047]
ξ,η为结构有限元模型三角形单元中用于构造n
i
、n
j
、n
m
的等参变换参数;
[0048]
p(ξ,η)为结构所受的连续分布惯性载荷在结构有限元模型三角形单元中(ξ,η)处的分配;
[0049]
j为jacobi矩阵行列式;
[0050]
x
i
、y
i
,x
j
、y
j
,x
m
、y
m
为结构有限元模型三角形单元顶点i、j、m的坐标。
[0051]
根据本技术的至少一个实施例,上述的结构有限元模型惯性载荷施加方法中,所述将结构所受的连续分布惯性载荷离散到结构有限元模型四边形单元的顶点上,具体为:
[0052][0053][0054][0055][0056][0057][0058][0059][0060][0061]
[0062][0063]
其中,
[0064]
f
i
、f
j
、f
k
、f
l
为结构所受的连续分布惯性载荷在结构有限元模型四边形单元顶点i、j、k、l处的分配;
[0065]
n
i
,n
j
,n
k
,n
l
为lagrange乘子,是结构有限元模型四边形单元形函数;
[0066]
ξ,η为结构有限元模型四边形单元中用于构造n
i
、n
j
、n
k
、n
l
的等参变换参数;
[0067]
p(ξ,η)为结构所受的连续分布惯性载荷在结构有限元模型四边形单元中(ξ,η)处的分配;
[0068]
j为jacobi矩阵行列式;
[0069]
x
i
、y
i
,x
j
、y
j
,x
k
、y
k
,x
l
、y
l
结构有限元模型三角形单元顶点i、j、k、l的坐标。
附图说明
[0070]
图1是本技术实施例提供的结构有限元模型惯性载荷施加方法的流程图;
[0071]
图2是本技术实施例提供的将结构所受的集中惯性载荷离散到结构有限元模型的节点上的示意图;
[0072]
图3是本技术实施例提供的有结构限元模型中二维壳单元或三维单元的惯性载荷为连续分布惯性载荷,通过指定单元上面分布载荷的大小来定义的示意图;
[0073]
图4是本技术实施例提供的总体坐标系中三角形单元通过插值的方法转换为自然坐标系下规则三角形的示意图;
[0074]
图5是本技术实施例提供的总体坐标系中四边形单元通过插值的方法转换为自然坐标系下规则四边形的示意图。
[0075]
为了更好说明本实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;此外,附图用于示例性说明,其中描述位置关系的用语仅限于示例性说明,不能理解为对本专利的限制。
具体实施方式
[0076]
为使本技术的技术方案及其优点更加清楚,下面将结合附图对本技术的技术方案作进一步清楚、完整的详细描述,可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅是本技术的部分实施例,其仅用于解释本技术,而非对本技术的限定。需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本技术相关的部分,其他相关部分可参考通常设计,在不冲突的情况下,本技术中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合以得到新的实施例。
[0077]
此外,除非另有定义,本技术描述中所使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域内一般技术人员所理解的通常含义。本技术描述中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“中心”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等表示方位的词语仅用以表示相对的方向或者位置关系,而非暗示装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,当被描述对象的绝对位置发生改变后,其相对位置关系也可能发生相应的改变,因此不能理解为对本技术的限制。本技术描述中所使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似用语,仅用于描述目的,用以区分不同的组成部分,而不能够将其理解为指示或暗示相对重要性。本技术描述中
所使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语,不应理解为对数量的绝对限制,而应理解为存在至少一个。本技术描述中所使用的“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同,而不排除其他元件或者物件。
[0078]
此外,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,在本技术的描述中使用的“安装”、“相连”、“连接”等类似词语应做广义理解,例如,连接可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,还可以是两个元件内部的连通,领域内技术人员可根据具体情况理解其在本技术中的具体含义。
[0079]
下面结合附图1至图5对本技术做进一步详细说明。
[0080]
一种结构有限元模型惯性载荷施加方法,包括:
[0081]
构建结构有限元模型;
[0082]
在结构有限元模型中配置各构件的材料密度,构建质量有限元模型;
[0083]
在质量有限元模型中配置各构件的质量加权系数,使各个构件的质量与期望质量相符,配置结构惯性载荷的方向及其加速度系数;
[0084]
将结构所受的惯性载荷离散到结构有限元模型的节点上。
[0085]
对于上述实施例公开的结构有限元模型惯性载荷施加方法,领域内技术人员可以理解的是,其在构有限元模型的基础上,配置各构件的材料密度,构建得到质量有限元模型,通过配置各构件的质量加权系数,使各个构件的质量与期望质量相符,并配置结构惯性载荷的方向及其加速度系数,以及将结构所受的惯性载荷离散到结构有限元模型的节点上,从而实现惯性载荷在结构有限元模型上准确施加,该种方法可用于薄壁盒段结构有限元模型上惯性载荷的施加,保证对薄壁盒段结构分析的准确性。
[0086]
在一些可选的实施例中,上述的结构有限元模型惯性载荷施加方法中,所述将结构所受的惯性载荷离散到结构有限元模型的节点上,包括:
[0087]
将结构所受的集中惯性载荷离散到结构有限元模型的节点上,具体为:
[0088]
基于拉格朗日(lagrange)乘子法,将结构所受的集中惯性载荷离散到结构有限元模型的节点上。
[0089]
在一些可选的实施例中,上述的结构有限元模型惯性载荷施加方法中,所述基于拉格朗日(lagrange)乘子法,将结构所受的集中惯性载荷离散到结构有限元模型的节点上,具体为:
[0090][0091][0092][0093][0094]
其中,
[0095]
p
j
为结构所受的集中惯性载荷在结构有限元模型j节点的分配;
[0096]
l
j
为结构所受集中惯性载荷的点至结构有限元模型j节点的距离;
[0097]
λ,λ
x
,λ
z
为lagrange乘子;
[0098]
x
j
为结构有限元模型j节点在x方向的坐标;
[0099]
z
j
为结构有限元模型j节点在z方向的坐标;
[0100]
n为结构有限元模型节点的数量;
[0101]
x
a
为结构所受集中惯性载荷的点在x方向的坐标;
[0102]
z
a
为结构所受集中惯性载荷的点在z方向的坐标;
[0103]
p
a
为结构所受的集中惯性载荷。
[0104]
对于上述实施例公开的结构有限元模型惯性载荷施加方法,领域内技术人员可以理解的是,按照变形理论,参见图2,以结构所受集中惯性载荷p
a
的点为固支的悬臂梁,其自由端上的有限元节点j分配到载荷p
j
时的变形能为:
[0105]
其中,ej为悬臂梁的抗弯刚度;
[0106]
全空间的变形能为:
[0107]
为使全空间的变形能最小,满足以下静力等效条件:
[0108][0109][0110][0111]
采用拉格朗日(lagrange)乘子法建立拉格朗日函数如下:
[0112][0113][0114]
使f(λ λ
x λ
z
)取最小值有:
[0115]
可得到:
[0116][0117][0118]
在一些可选的实施例中,上述的结构有限元模型惯性载荷施加方法中,所述将结
构所受的惯性载荷离散到结构有限元模型的节点上,包括:
[0119]
将结构所受的连续分布惯性载荷离散到结构有限元模型三角形单元的顶点上;或者,
[0120]
将结构所受的连续分布惯性载荷离散到结构有限元模型四边形单元的顶点上。
[0121]
在一些可选的实施例中,上述的结构有限元模型惯性载荷施加方法中,所述将结构所受的连续分布惯性载荷离散到结构有限元模型三角形单元的顶点上,具体为:
[0122][0123][0124][0125][0126][0127][0128][0129][0130][0131]
其中,
[0132]
f
i
、f
j
、f
m
为结构所受的连续分布惯性载荷在结构有限元模型三角形单元顶点i、j、m处的分配;
[0133]
n
i
,n
j
,n
m
为lagrange乘子,是结构有限元模型三角形单元形函数;
[0134]
ξ,η为结构有限元模型三角形单元中用于构造n
i
、n
j
、n
m
的等参变换参数;
[0135]
p(ξ,η)为结构所受的连续分布惯性载荷在结构有限元模型三角形单元中(ξ,η)处的分配;
[0136]
j为jacobi矩阵行列式;
[0137]
x
i
、y
i
,x
j
、y
j
,x
m
、y
m
为结构有限元模型三角形单元顶点i、j、m的坐标。
[0138]
对于以上实施例公开的结构有限元模型惯性载荷施加方法,领域内技术人员可以理解的是,在有结构限元模型中,二维壳单元或三维单元的惯性载荷为连续分布惯性载荷,可通过指定单元上面分布载荷的大小来定义,每个单元节点上压强的大小不同,如图3所示,在结构有限元模型惯性载荷施加中,需要将施加于单元表面上任意连续分布载荷转化
为单元节点上的集中载荷;
[0139]
总体坐标系中的任意三角形单元可以通过插值的方法转换为自然坐标系下的规则三角形,如图4所示:
[0140][0141][0142][0143][0144][0145]
此时,任意三角形单元中等效节点力可如下计算:
[0146][0147][0148][0149][0150]
在一些可选的实施例中,上述的结构有限元模型惯性载荷施加方法中,所述将结构所受的连续分布惯性载荷离散到结构有限元模型四边形单元的顶点上,具体为:
[0151][0152][0153][0154][0155]
[0156][0157][0158][0159][0160][0161][0162]
其中,
[0163]
f
i
、f
j
、f
k
、f
l
为结构所受的连续分布惯性载荷在结构有限元模型四边形单元顶点i、j、k、l处的分配;
[0164]
n
i
,n
j
,n
k
,n
l
为lagrange乘子,是结构有限元模型四边形单元形函数;
[0165]
ξ,η为结构有限元模型四边形单元中用于构造n
i
、n
j
、n
m
、n
l
的等参变换参数;
[0166]
p(ξ,η)为结构所受的连续分布惯性载荷在结构有限元模型四边形单元中(ξ,η)处的分配;
[0167]
j为jacobi矩阵行列式;
[0168]
x
i
、y
i
,x
j
、y
j
,x
k
、y
k
,x
l
、y
l
结构有限元模型三角形单元顶点i、j、k、l的坐标。
[0169]
对于以上实施例公开的结构有限元模型惯性载荷施加方法,领域内技术人员可以理解的是,总体坐标系中的任意四边形单元可以通过插值的方法转换为自然坐标系下的规则正方形,如图5所示:
[0170][0171][0172][0173][0174][0175]
[0176]
此时,任意四边形单元中等效节点力可如下计算:
[0177][0178][0179][0180][0181][0181][0182]
说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0183]
至此,已经结合附图所示的优选实施方式描述了本技术的技术方案,领域内技术人员应该理解的是,本技术的保护范围显然不局限于这些具体实施方式,在不偏离本技术的原理的前提下,本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换,这些更改或替换之后的技术方案都将落入本技术的保护范围之内。
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