【潜精研思】借助静力试验实测值修正和确认全机有限元模型_MBSE_理论_仿真体系_数字孪生_控制_试验

【潜精研思】借助静力试验实测值修正和确认全机有限元模型

作者：邱春图 , 成万植 (沈阳飞机设计研究所)

有限元模型修正的必要性

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近年来 , 随着有限元分析技术的广泛应用 ,越来越注重有限元建模技术和有限元模型的确认工作, 这是非常必要的。因为在作为结构分析重要手段的有限元分析工作中, 为获得正确可靠的分析结果必须有好的模型。

所谓好的模型 , 应该是真实反映复杂结构的刚度分布、受力特点、传力路线和支持条件(包括结构各部段间的连接关系), 并能最终给出正确可靠计算结果的模型。在统一的建模原则下 , 建立一个全机有限元模型要花费大量的人力和时间, 但建立起来的有限元模型的可信度如何 , 尤其对一个复杂的全机模型, 如何确认其可靠性? 这是一个至关重要的问题。为此, 有人提出搞一个像 “傻瓜相机”一样的有限元专家系统 , 以便使非专业人员也能轻松地建立一个可靠的有限元模型 , 然而 , 实践证明 , 对一个复杂的结构系统而言 , 想完全摆脱人工干预的想法是不现实的。

于是 , 又提出了各种各样的有限元模型修正技术和方法, 其中一个有效的方法就是本文谈及的借助静力试验实测值的模型修正方法。它是以弹性范围内的静力试验实测值(位移及应变值)为依托, 和已建立的有限元模型给出的计算值加以对比, 从而发现有限元模型中存在的问题, 并分析判断误差位置及误差性质(剪切刚度、弯曲刚度、扭转刚度、边界条件包括元素连接等造成的不同误差), 对已有的模型进行必要的而且合理的修正 , 使之能给出较为满意的计算结果 , 通过这种手段达到确认和最终冻结有限元模型的目的。

总之 , 对一个复杂的全机有限元模型进行上述确认工作不仅是必要的 , 而且是必须的。

有限元模型修正的目标

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这里讨论的是有限元模型修正的目标及标准问题 , 具体地说 , 如模型计算结果与静力试验实测值符合到什么程度才允许确认和冻结。

原则上, 修模目标自然是 :(1)变形形态和位移量值接近试验实测值。(2)应变(应力)分布规律和量值基本接近静力试验实测值。(3)传力路线和重要传力比基本接近静力试验实测值。具体地说, 加载方向上的位移误差应控制在5%以下 , 而传力路线和传力比误差应控制在10%以下, 至于应变值的误差应放宽要求(受力较大的部位应控制在 20 %～ 30 %), 因为有限元模型毕竟是简化了的光滑模型, 而且给出的是单元上的平均应力 , 而实测值则包含了可能存在的二次应力影响。

实测数据的可靠性评估与确认

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实测数据一般地讲反映了结构真实受力状态, 所以在模型修正工作中, 将其作为真理的标准。但是, 由于种种原因 , 实测数据也会存在失真现象或在某个区段的数据失真现象。既然要作为比较的标准, 首先应该对实测数据进行必要的筛选和确认 , 这是十分必要的 , 否则, 错误的实测值会误导模型修正的工作。

3.1 位移实测值的筛选和可用数据的生成

下面以机翼展向结构的 Y 向变形为例, 介绍位移实测值的筛选和可用数据的生成。首先 , 对于机翼的每个位移测量点在各级载荷下的数据进行线性度检查 , 剔除线性度较差和上下跳动的单点位移数据, 其次 , 对那些线性度不太好的点进行如图 1 所示的数据拟合修正, 确定修正后的可用数据。

然后, 还要对机翼结构变形进行多点修正 ,如绘出的机翼结构的位移实测曲线 , 若机翼展向的结构是光滑连续的, 即无刚度突变 , 则应进行二次曲线拟合 , 得到可用数据, 如图 2 所示。

3.2 应变实测值的筛选和可用数据的生成

静力试验测得的应变值, 理论上应真实反映贴片点的应变 , 然而, 事实上影响试验结果的因素众多 , 如贴片质量好坏 , 应变片本身的灵敏度, 载荷施加等会造成一些应变片的测量数据失真或在某个区段的数据失真。下面介绍应变实测值的筛选和可用数据的生成情况。首先, 对每个应变测量点在各级载荷下的数据进行线性度检查, 剔除线性度较差和上下跳动的单点应变数据并且确定单点应变数据的有效区段 , 见图 3 和图4 。其次, 对那些线性度不太好的点进行线性拟合修正, 确定修正后可用数据。

总之 , 位移的实测值可与有限元计算值直接对比 , 但与应变实测值的对比中, 相应有限元计算值不能直接拿来对比 , 而应根据有限元模型算出的内力 , 对具体切面进行详细的工程计算后再与实测值比较, 才能给出较客观的结论。

位移比较中飞机姿态的调整

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为进行位移实测值与有限元计算值的对比,首先应该把飞机置于一个统一的基准平台中, 为此, 不论实测值还是计算值都应进行如下的转换。通常, 基准平台可由包围飞机重心的 4 个点(最少 3 个点)构成, 并将该4个点组成的平面置于水平基准面上。首先 , 为了消除试验中飞机姿态变化 (平移、俯仰、滚转)对测量和计算数据的影响 , 选择包围飞机重心的 4 个点 (对某型飞机是第 64 , 21 , 62 , 19 位移测量点)构成的平面为基准平台(详见图 5 ), 具体修正量为:

对进行了可靠性评估确认了的可用实测位移值, 再进行这种飞机姿态的调整, 即可作为和有限元计算位移比较的依据 , 作为判断误差位置和误差性质的 “真理标准” 。顺便指出应变比较与飞机姿态无关。

借助实测修正全机模型的流程

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为了使全机模型的修正与确认工作科学、有序地进行, 提高模型的内在品质, 首先要对部件的静力试验数据进行筛选、可靠性评估, 确定出可以用于对比的试验数据, 然后, 首先进行部段模型修正;其次要对全机静力试验数据进行筛选、可靠性评估, 确定出可以用于对比的试验数据, 最后进行全机模型联调修正与确认, 通过可用的实测值与全机模型的计算结果对比, 发现模型中的问题, 即根据误差位置和误差性质对全机模型中的各部段的对合连接单元以及部段模型进行更改和确认 , 再联调计算, 对比发现问题 , 修正部段模型, 依次迭代进行。图6和图7分别给出了部段与全机的模型修正与确认流程图。

全机位移比较实例

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模型计算结果与可比试验结果相差不大 , 但吻合程度又不满足精度要求时, 查找模型中存在的问题、修正模型, 其难度极大, 不但需要具有深厚的强度专业知识、建模经验 , 而且还需要充足的数据对比曲线和科学有效的方法。在某型飞机全机模型的修正和确认过程中 ,我们发现了前机身的模型计算位移比静力试验实测位移值大, 针对前机身计算位移偏大问题 , 我们对实测位移数据进行了可靠性确认, 生成了可用数据, 绘制了机身纵向轴线处的实测变形曲线和计算变形曲线 , 从两条曲线的对比图中 , 发现计算变形曲线在 17A 框至 18 框间的斜率与其前后区段曲线斜率相比有较明显的变化, 而实测变形曲线斜率在该处却很平缓, 这给了我们一个重要的提示 , 说明该区段的纵向构件在模型简化上存在问题或错误。为此, 重点核查、分析了该区段机身的纵向杆元的简化 , 单元的连接, 结果发现在原模型中 , 忽视了18框前对接区连接加强件对纵向大梁和长桁的面积的贡献 , 才导致机身抗弯刚度突变, 引起前机身整体位移偏大。我们给出了考虑在 18 框前对接区连接加强件对纵向大梁和长桁面积贡献的折算方法 , 修正了模型中该处的单元参数 , 重新进行了计算 , 结果是计算变形曲线和实测变形曲线吻合程度满足了精度要求，见图8。

应力分布规律、传力路线比较实例

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经过上述的部段结构模型与全机结构模型修正与确认的反复迭代过程 , 全机结构模型得到了修改和完善, 其计算结果与静力试验实测值达到了令人满意的程度。下面分别给出机身承剪壁板、中机身2 号油箱下壁板、机身某框间各纵向构件的计算应力和相应的实测值的对比(详见图 9～图 12)。

结束语

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借助静力试验实测值修正和确认有限元模型, 是一个实用和有效的方法, 本文率先尝试了这个方法 , 并提供了一些思路和经验。

但是为了更好地开展这项工作, 应在静力试验任务书中事先有目的地增加针对有限元模型修正所必须的若干测量内容(如基准点位移的测量 , 确定传力比所需的贴片设置等), 以便此项工作更顺利地开展并且收到更好的效果。

这里值得指出的是, 有限元模型修正, 最终是希望修正构成模型的元素参数(包括几何、物理参数)。实测值提示你可能哪些元素参数取得不当 , 我们的任务是进一步去确认和修改那些在建模过程中所选取的不合理的参数 , 但必须强调指出要忠实于实际结构,特别要防止脱离实际结构随便更改元素参数去凑 “答案” 的做法。所有的更改都要做到: “有理 ,有椐, 反映客观实际” , 这是此项工作中的最基本原则。

来源：安怀信正向设计研发港