飞机结构整机精细化有限元分析
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民用飞机结构强度设计中的整机精细化 有限元技术及应用
李三平
博士
中国商用飞机责任有限公司
目录 精细化有限元建模技术
模型的试验验证
精细化有限元技术的工程应用
面临的挑战和我们的解决方案
2
精细化有限元建模技术
航空结构有限元分析的特点
飞机结构的复杂性决定了整机有 限元简化的高度概括性； 模型简化的方法不仅取决于结构 的特点，而且受制于强度校核方 法的要求； 大量的模型简化对分析人员的经 验提出了很高的要求，也严重地 制约了模型的适用范围； 非典型结构的有限元简化存在不 确定性； 线性分析难以满足现代高复杂度 结构对高精度分析的要求； 解决出路：精细化有限元分析/ 精细化数值仿真
细化模型 138 150
精细模型 1471 40
模型的试验验证
翼身组合体试验
– – – – 翼身组合体物理试验 自然网格虚拟试验 细化网格虚拟试验 精细网格虚拟试验
模型规模（万） 自然网格 细化网格 精细网格 单元 节点 2.3 1.0 72 68 422 471
模型的试验验证
数据筛选原则
– 共筛选出54个重点剖面（机身18，机翼36）进行数据统计，每个剖 面上只取1到3个极值点的应变进行比较，其它片作为低应力区不参 与统计； – 剔除试验数据明显有问题的片； 机身250355工况数据选取36个片 机翼210073工况数据选取41个片
• • • • 先于试验的模型验证 钉力计算 突出的稳定性计算能力 快速试验故障排查能力
o 直接取代大部分子模型分析； o 承上启下
• 子模型边界条件 • 三级模型的纽带
o 非线性分析的平台
面临的挑战和我们的解决方案
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ精细化有限元模型的定位问题
自然网格模型为基础，精细化模型做补充
面临的挑战和我们的解决方案
自然网格 细化模型 精细模型 20% 15% 10% 32% 43% 56% 57% 77% 92% 81% 90% 100%
80% 60% 40% 20% 0%
理论值分析误差散点图
细化模型
80% 60% 40% 20% 0%
理论值分析误差散点图
精细模型
-6000
-4000
-2000
-20% -40% -60% -80%
精细化有限元建模技术
构建COMAC的三级有限元分析体系
1
补充/验证
2
保留结构 细节特征
全机精细化 有限元模型
详细全面 直观的高 应力部位
精准的 边界条件
3
精细化有限元建模技术
典型结构有限元简化方法
机身加筋板结构
自然网格模型
细化模型
精细模型
精细化有限元建模技术
整机有限元模型
自然网格 节点数 （万） 花销 （人月） 6 3
3. 精度：
在与应变片试验数据的比对上，细化模型和精细模型有一 定的精度优势。
细化模型和精细模型有限元建模方法的有效性的到 了验证。
精细化有限元技术的工程应用 全机静力试验有限元仿真
面临的挑战和我们的解决方案 精细化有限元模型总结 模型特点：
易于建模、计算精度较高、模型规模大。
作用：
o 传统有限元分析的重要补充
高性能计算资源的需求 后处理工具的二次开发 o 稳定性分析 o 钉载强度校核 建立经过试验验证的精 细化计算结果的强度应 用理论。
谢谢
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模型的试验验证 试验分析结论 1. 刚度：
三个模型都能精确反映结构的整体刚度，与实测位移的误 差都小于5%，且偏保守；
2. 应力应变：
三个模型在重要剖面上都能较好地反映应力变化的趋势， 且在绝大多数情况下，分析结果偏保守；
模型的试验验证
选取机身与机翼54个重点剖面，77个数据采样点，进行统计分析
理论值分析误差散点图
自然模型
80% 60% 40% 20% 0%
翼身组合体试验分析对比统计
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-20% -40%
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6000
-60%
-80%
平均误差 误差<10% 误差<20% 误差<30%
李三平
博士
中国商用飞机责任有限公司
目录 精细化有限元建模技术
模型的试验验证
精细化有限元技术的工程应用
面临的挑战和我们的解决方案
2
精细化有限元建模技术
航空结构有限元分析的特点
飞机结构的复杂性决定了整机有 限元简化的高度概括性； 模型简化的方法不仅取决于结构 的特点，而且受制于强度校核方 法的要求； 大量的模型简化对分析人员的经 验提出了很高的要求，也严重地 制约了模型的适用范围； 非典型结构的有限元简化存在不 确定性； 线性分析难以满足现代高复杂度 结构对高精度分析的要求； 解决出路：精细化有限元分析/ 精细化数值仿真
细化模型 138 150
精细模型 1471 40
模型的试验验证
翼身组合体试验
– – – – 翼身组合体物理试验 自然网格虚拟试验 细化网格虚拟试验 精细网格虚拟试验
模型规模（万） 自然网格 细化网格 精细网格 单元 节点 2.3 1.0 72 68 422 471
模型的试验验证
数据筛选原则
– 共筛选出54个重点剖面（机身18，机翼36）进行数据统计，每个剖 面上只取1到3个极值点的应变进行比较，其它片作为低应力区不参 与统计； – 剔除试验数据明显有问题的片； 机身250355工况数据选取36个片 机翼210073工况数据选取41个片
• • • • 先于试验的模型验证 钉力计算 突出的稳定性计算能力 快速试验故障排查能力
o 直接取代大部分子模型分析； o 承上启下
• 子模型边界条件 • 三级模型的纽带
o 非线性分析的平台
面临的挑战和我们的解决方案
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ精细化有限元模型的定位问题
自然网格模型为基础，精细化模型做补充
面临的挑战和我们的解决方案
自然网格 细化模型 精细模型 20% 15% 10% 32% 43% 56% 57% 77% 92% 81% 90% 100%
80% 60% 40% 20% 0%
理论值分析误差散点图
细化模型
80% 60% 40% 20% 0%
理论值分析误差散点图
精细模型
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精细化有限元建模技术
构建COMAC的三级有限元分析体系
1
补充/验证
2
保留结构 细节特征
全机精细化 有限元模型
详细全面 直观的高 应力部位
精准的 边界条件
3
精细化有限元建模技术
典型结构有限元简化方法
机身加筋板结构
自然网格模型
细化模型
精细模型
精细化有限元建模技术
整机有限元模型
自然网格 节点数 （万） 花销 （人月） 6 3
3. 精度：
在与应变片试验数据的比对上，细化模型和精细模型有一 定的精度优势。
细化模型和精细模型有限元建模方法的有效性的到 了验证。
精细化有限元技术的工程应用 全机静力试验有限元仿真
面临的挑战和我们的解决方案 精细化有限元模型总结 模型特点：
易于建模、计算精度较高、模型规模大。
作用：
o 传统有限元分析的重要补充
高性能计算资源的需求 后处理工具的二次开发 o 稳定性分析 o 钉载强度校核 建立经过试验验证的精 细化计算结果的强度应 用理论。
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模型的试验验证 试验分析结论 1. 刚度：
三个模型都能精确反映结构的整体刚度，与实测位移的误 差都小于5%，且偏保守；
2. 应力应变：
三个模型在重要剖面上都能较好地反映应力变化的趋势， 且在绝大多数情况下，分析结果偏保守；
模型的试验验证
选取机身与机翼54个重点剖面，77个数据采样点，进行统计分析
理论值分析误差散点图
自然模型
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翼身组合体试验分析对比统计
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平均误差 误差<10% 误差<20% 误差<30%