基于ANSYS机翼翼盒拓扑优化的网格划分和建模

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1、2010矩6,q第27卷第3期沈阳航空工业学院学报JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEngineeringJun．2010V01．27No．3文章编号：1007—1385(2010)03—0011—04基于ANSYS机翼翼盒拓扑优化的网格划分和建模裴颖张卫平邱福生(沈阳航空航天大学航空宇航工程学院，辽宁沈阳110136)摘要：网格划分是进行有限元分析建模的一个重要环节，总结了ANSYS建模中网格划分的主要步骤、方法的优缺点和注意事项；针对机翼翼盒的特殊结构，为实现装配要求，提出芯板和蒙皮相黏结的建模方法；分析了机翼受力的主要特点，对

2、翼盒模型受力进行了合理简化。算例结果表明提出的芯板和蒙皮相黏结的扫掠网格建模方法能正确模拟实际结构连接情况，达到指定装配要求，为成功实现机翼翼盒的拓扑优化设计奠定了基础。关键词：飞行器设计；建模；网格划分；拓扑优化；翼盒；ANSYS中图分类号：V221+．92文献标识码：A飞行器设计水平的高低是反映一个国家科研实力、创新能力和拥有知识产权多寡的一个重要指标之一，而结构的轻量化设计是实现这一重要指标的前提基础。拓扑优化⋯方法能帮助寻求如何能用最少的材料得到最合理的布局，使飞行器的质量达到最轻，发挥出最佳的性能。有限元分析通过采用大量几何形状简单的单元组合来近似描述整体结构，利用单

3、元节点变量对单元内部变量进行插值来实现对总体结构的分析计算。将结构离散成简单单元的组合，称为有限元网格划分【2]。由于划分的网格形式对计算精度和计算规模产生直接的影响，网格划分是建立有限元模型的一个重要环节。p1总结了ANSYS建模中网格划分的主要步骤、方法的优缺点和注意事项；针对机翼翼盒的特殊结构，为实现装配要求，提出芯板和蒙皮相黏结的建模方法；分析了机翼受力的主要特点，对翼盒模型受力进行了合理简化，为成功实现机翼翼盒的拓扑优化设计奠定了基础。1网格划分介绍ANSYS中网格划分可以在GUI模式‘41下交收稿日期：20lO～05—07基金项目：航空基金(项目编号：2009ZE5

4、4008)；校博士启动基金(项目编号：08Y1105)作者简介：裴颖(1981一)，男，河南省周口市人，在读硕士，主要研究方向：飞行器设计、机翼拓扑优化等，E—mail：peiyin91981@oo-hu．c．om；邱福生(1977一)．男，江西于都人，博士，副教授，主要研究方向：飞行器设计与制造一体化，cAD／cAPP／cAE／cAM，生产技术准备，产品开发过程建模等，E—mail：afs77815@163．tom。互生成，也可以通过编写宏命令文件生成。主要分为3个步骤【5J。(1)定义单元属性(2)设置建立网格所需的参数(3)生成网格与网格的修正网格划分方法【61主要有：(

5、1)自由网格划分这种方法省时省力，但缺点是单元数量通常会很大，计算效率降低。(2)映射网格划分这种划分方式比较繁琐，需要的时间和精力较多。(3)拖拉、扫掠网格划分这两种方式形成的单元几乎都是六面体单元。扫掠方式形成网格是一种非常好的方式，它比映射网格划分方式具有更大的优势和灵活性。(4)过渡网格划分可以根据网格密度把模型划分为多个子区域，实现模型中某些区域网格密度大、某些区域网格密度小，并在网格密度悬殊的区域之间建立过渡区域。(5)自适应网格划分自动估计网格划分误差，确定网格是否足够细，如果不够，将自动细化网格以减少误差，然后通过一系列的求解过程使得误差低于用户指定的数值(或直

6、到用户指定的最大求解次数)。网格划分中的注意事项¨J：(1)修平的或有很尖内角的面和体经常造成网格划分失败；12沈阳航空工业学院学报第27卷(2)如果指定了急剧变化的过渡单元尺寸可能造成单元质量不好；(3)当使用有中间节点结构的单元对去边建模时，应当保证足够的网格密度以使单元的跨度在一个单元长度上不超过15。的弧；(4)无论何时都要避免从模型中去掉已经划分网格的图元。2机翼翼盒拓扑优化的网格划分和建模‘8]建立有限元模型过程中最重要的一点就是对原结构进行合理简化，略去次要元件和次要部分，着重研究参与总体传力的主要部分和主要元构件。在机翼各部件中，副翼的作用是控制飞机作滚转运动，

7、前缘缝翼和后缘襟翼是一种增升装置，翼尖小翼的设计是改变翼尖附近的流场从而减小涡流的强度，它们都不是主要的承力结构。一般工程上认为少于5％～10％承载能力的构件可在分析时略去，因此优化时略去机翼的副翼、前缘和后缘，只考虑主翼盒段的受力情况。飞机机翼真实受力如图l所示，翼盒模型受力可简化为仅作用有展向梯度拉力载荷。(a)机翼展向受力(b)机翼弦向受力图1机翼受力示意图ANSYS提供了两种建立CAD实体模型的途径。一种是自底向上的CAD实体建模方法，首先定义各关键点，然后根据关键点定义线、面或体，