随着飞机等结构的强度计算工作的深入,其工作量、效率和协作等问题得到越来越广泛的认识和关注,这客观上促进了结构强度自动化计算平台的设想和构建。
在飞机和火箭的结构上,包括静强度、动强度、疲劳和损伤容限等强度设计过程可大体上分为两部分工作,即应力计算和强度计算。前一部分工作根据结构的几何、材料和载荷等数据构筑有限元模型,并应用通用CAE软件计算结构的应力(内力)得到应力分析结果;后一部分工作则是应用应力分析结果,根据结构实际">工作状态,引用行业的强度标准、规范和判据,进行强度计算,得到强度计算结果,并据此得到结构强度的结论,完成强度校核工作的流程。近若干年以来,应力分析工具得到了长足的发展,效率也明显提高,但后一部分工作由于需要结合各行业用户不同的方法和要求,具有很强的特殊性,其前进和发展仍很局限。有经验表明,对飞机等复杂结构,强度计算所占的工作在单一强度校核流程中所占工作量的比例在70%以上。因此构建结构强度自动化计算平台的首要目的就是通过行业用户特殊方法(包括行业标准、规范和判据等)的软件化,缩减强度计算工作量,调高计算效率。
随着结构强度分析工作的深入,为适应大规模设计的要求,规范强度校核流程,加强结构强度设计人员间的协作,成为当务之急。这些都为强度计算平台的构建提供了客观的需求。依靠该平台,长期困扰强度分析人员的任务管理、数据管理和版本控制等问题有望得到根本性的解决。
应该指出结构强度自动化计算平台建设是一项复杂的系统工程,除了平台框架的构建和完善,平台建设的更主要任务是用户知识和方法的总结和集成。以飞机结构强度为例,强度分析工作除了静强度外还有复合材料、疲劳和损伤容限等工作,涉及的材料特性、界面特性和载荷等需要大量的理论曲线、经验数据和实验数据等作为支撑。因此,结构强度计算平台建设也是一项长期工程,需要软件工程师和领域专家持续的协作和共同努力。
在结构强度自动化计算平台方面,国内外各个领域都进行过有益探索,其中比较成熟和取得成功工业应用的是空中客车的ISAMI软件系统,它是比利时SAMTECH有限公司的CAESAM强度自动化平台框架系统、空中客车的数据库和方法库的有机集成。伴随中国航空工业快速发展,以大客机等为标志的项目客观上迫切需要建立自主的强度计算平台以改革目前强度分析流程,缩短设计周期、优化结构性能。同样借助于CAESAM框架系统的StrenBox飞机结构强度自动化计算软件系统是SAMTECH公司与国内重要飞机设计研究机构合作的成果,它汲取了空客公司ISAMI系统的开发经验,结合国内的数据、方法和规范,形成了完整的强度自动化校核体系。该软件系统目前在一些实际型号飞机上已进行了初步应用,其有效性也得到了初步的证实。随着开发和完善工作的及一部深入展开,其全面推广和广泛应用指日可待。
1.StrenBox平台
如前所述,飞机结构强度计算过程可以分为应力计算和强度计算两大部分。目前飞机结构应力计算多采用MSC/NASTRAN进行,其应力计算模型为.bdf格式文件,包含了结构的单元、特性、材料和载荷等信息,而输出为.op2文件,包含了位移、内力和应力等信息。强度计算需要在StrenBox平台环境上进行,其模型(有时也称为GFEM,即广义应力模型)为.czm文件格式,它除了包含上述应力计算和结果的信息外,还要包含应力单元与结构单元(SE)的对应关系,工程特性(EO)的截面和材料特性的初值等信息。
应力计算模型和强度计算模型的关系如图1所示。两种模型的区别可以概括如下:1. 强度计算模型除了包含应力计算模型的模型信息外还包含其结果信息;2. 一个强度计算单元(SE)可以对应一个应力计算单元,也可以对应多个应力计算单元;3. 强度计算模型的特性(EO)除了包含应力计算模型的特性如截面积、杨氏模量和破坏强度等外,还要包括界面型材类型和参数、材料屈服参数、铆钉连接特性等必需的强度计算信息;4. 强度计算模型可以对应应力计算模型的全部,也可以只对应应力计算模型的部分。
图1 应力计算模型和强度计算模型之间的关系