一種確定薄壁結構高剛度連接區(qū)載荷傳遞的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及大型工程薄壁結構有限元分析技術領域，具體為一種確定薄壁結構高 剛度連接區(qū)載荷傳遞的方法，具體涉及一種離散化處理單元，通過消除薄壁結構離散化有 限元分析中高剛度連接區(qū)域存在的病態(tài)矩陣特性，可將結構高剛度連接構件所施加的慣性 或外部載荷精確分配至薄壁主結構。
【背景技術】
[0002] 采用有限元方法建立實際工程結構的離散化數(shù)值分析模型，并實施結構設計分析 與強度計算，已成為現(xiàn)代結構工程的典型先進設計技術與方法。在航空器薄壁結構初步設 計階段，對主體薄壁結構設計分析時必須計及發(fā)動機、起落架等的剛體慣性載荷及外部載 荷作用，且這些載荷通常通過高剛度構件連接到主體結構的連接區(qū)域。針對薄壁結構這一 典型特征，需要在薄壁結構建立離散化有限元模型時，利用特殊算法技術處理這些剛體慣 性載荷及外部載荷，將這些剛體的慣性載荷及外部作用的載荷等效地轉移到薄壁結構連接 區(qū)域上（局部結構的部分離散化節(jié)點），從而避免結構有限元建模時局部區(qū)域剛度差異過 大而導致的數(shù)值病態(tài)，避免由此導致的計算精度變差乃至得到錯誤結果的技術問題。
[0003] 查閱大量相關多點約束處理的技術文獻，均是在文獻I "MSC Nastran Linear Static Analysis User's Guide"基礎上的工程應用分析，如文獻2 "飛機外蒙皮上非受力 結構有限元模型設計淺析"介紹了采用文獻1的單元技術在外蒙皮非受力口蓋等非承力結 構氣動載荷傳遞分析中的應用方法。文獻1公開了一種加權平均約束單元技術（RBE3)，也 是MSC. Nastran軟件在剛性連接結構載荷傳遞分析中的應用方法。該技術通過設置權值的 方式完成高剛度連接區(qū)載荷分配至薄壁主結構的計算，其權值大小理論上表征薄壁結構主 要承力構件在連接區(qū)的剛度特性，由此避免高剛度連接件引入結構剛度矩陣所導致的病態(tài) 問題。但該方法具有以下幾個缺點：
[0004] 1.假定薄壁結構連接區(qū)域節(jié)點在不同方向剛度特性相同，事實上薄壁結構在不同 方向上的剛度通常差異很大。
[0005] 2.不能傳遞彎矩及扭矩，彎矩及扭矩在薄壁結構力學性能分析中起著非常重要的 作用，忽略彎矩及扭矩對薄壁結構的影響會導致不合理的分析結果，乃至錯誤。
[0006] 3.權值的確定具有主觀性，且不同權值則會產(chǎn)生不同的計算結果。由于難以給定 合理的權值，進而得到不合理的載荷分配結果。這是由于連接區(qū)薄壁結構承力構件剛度特 性難以直觀給出，與薄壁結構的形狀、材料以及邊界約束條件等密切相關。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為解決現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提出了一種確定薄壁結構高剛度連接區(qū)載荷 傳遞的方法，改進并修改了加權平均約束單元如【背景技術】所述的技術缺陷，結果表明該算 法技術更合理、更可靠，可滿足工程薄壁結構高剛度連接區(qū)的載荷傳遞計算精度需求。
[0008] 本發(fā)明通過剛度矩陣縮聚技術，將薄壁結構的剛度特性聚縮到連接區(qū)，由此精確 得到連接區(qū)的聚縮剛度，避免了人為對于加權平均約束單元局部剛度權值的不合理設定處 理方法。得到聚縮后的剛度特性后，即可由載荷剛度分配原則，按節(jié)點剛度的承載能力進行 載荷分配，進而得到合理有效的高精度載荷傳遞結果，在航空航天類薄壁結構工程分析中 具有明顯的實用價值及意義。
[0009] 本發(fā)明的技術方案為：
[0010] 所述一種確定薄壁結構高剛度連接區(qū)載荷傳遞的方法，其特征在于：包括以下步 驟：
[0011] 步驟1 :確定薄壁主結構連接節(jié)點gi與剛體載荷節(jié)點r之間的線位移及角位移約 束關系：
[0012] 薄壁主結構連接節(jié)點^與剛體載荷節(jié)點r的線位移分別為Sg，及??；，角位移分別 為^.及$，根據(jù)剛體位移約束關系，gi點的線位移和角位移由r點線位移和角位移線性唯 一表不為：
【主權項】
1. 一種確定薄壁結構高剛度連接區(qū)載荷傳遞的方法，其特征在于：包括w下步驟： 步驟1 ;確定薄壁主結構連接節(jié)點&與剛體載荷節(jié)點r之間的線位移及角位移約束關 系： 薄壁主結構連接節(jié)點&與剛體載荷節(jié)點r的線位移分別為S'g,及馬，角位移分別為g,. 及&，根據(jù)剛體位移約束關系，&點的線位移和角位移由r點線位移和角位移線性唯一表示 為： 巧gi=竊r+縣,.XR 其中i = 1，….，n，n為主結構連接區(qū)節(jié)點總數(shù)，R為剛體載荷節(jié)點r到薄壁結構連接 節(jié)點&的向量；并得到矩陣形式表示的薄壁主結構連接節(jié)點gi與剛體載荷節(jié)點r的位移約 束關系： Ugi= GiU, 其中，
步驟2 ;通過步驟1得到的薄壁主結構連接節(jié)點gi與剛體載荷節(jié)點r之間的線位移及 角位移約束關系，組裝得到薄壁主結構連接節(jié)點集g與剛體載荷節(jié)點r之間的位移轉角約 束矩陣：
則薄壁主結構連接節(jié)點集g與剛體載荷節(jié)點r的位移及轉角滿足線性關系；Ug= Gu t， 其中
咕薄壁主結構連接節(jié)點集g的位移向量； 步驟3 ;通過剛度矩陣的自由度縮聚方法得到聚縮剛度矩陣Kg: 薄壁主結構中不包含連接結構的節(jié)點集為1集，連接點集為g集，薄壁主結構的整體剛 度矩陣表示為：
其中Kgg，Kgi，Kig，Ku為整體剛度矩陣K的子矩陣，薄壁主結構的整體剛度方程為：


Ui為薄壁主結構中不包含連接結構節(jié)點集1的位移向量；得到薄壁主結構連接節(jié)點集 g的位移載荷關系為： (-KgiKu-iKig+Kgg)Ug=Fg 從而得到聚縮剛度矩陣Kg為： Kg=-KgiKu-iKig+Kgg 步驟4 ;根據(jù)剛體載荷節(jié)點上的慣性載荷及外加結構載荷，得到完整的剛體載荷合力 Fr: F,= M,n+F〇 其中Mf為剛體載荷質量，F(xiàn)。為外加結構載荷，n為剛體載荷過載系數(shù)向量； 步驟5 ;根據(jù)步驟3得到的聚縮剛度矩陣Kg，得到連接節(jié)點集的等效傳遞載荷向量Fg: Fg= KgG 佑TKgG)-中r。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種確定薄壁結構高剛度連接區(qū)載荷傳遞的方法，通過剛度矩陣縮聚技術，將薄壁結構的剛度特性聚縮到連接區(qū)，由此精確得到連接區(qū)的聚縮剛度，避免了人為對于加權平均約束單元局部剛度權值的不合理設定處理方法。得到聚縮后的剛度特性后，即可由載荷剛度分配原則，按節(jié)點剛度的承載能力進行載荷分配，進而得到合理有效的高精度載荷傳遞結果，在航空航天類薄壁結構工程分析中具有明顯的實用價值及意義。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104598693
【申請?zhí)枴緾N201510053060
【發(fā)明人】何鵬秋, 孫秦
【申請人】西北工業(yè)大學
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年2月2日