机载雷达天线旋罩的多工况气动载荷有限元自动加载方法与流程

1.本发明涉及天线旋罩设计仿真领域，尤其涉及一种机载雷达天线旋罩的多工况气动载荷有限元自动加载方法。


背景技术：

2.天线旋罩是安装在机载预警雷达天线阵面外面的复合材料结构件，起到透波和保护天线的作用。旋罩在满足电讯能要求的前提下，还需承受各种攻角姿态和飞行速度等不同工况下的严苛气动载荷，对飞机与雷达的安全性具有非常重要的作用。对于可360
°
旋转的天线罩，还需要考虑结构在不同旋转角度下的刚强度性能，对旋罩的设计提出了很高的要求。
3.气动载荷是天线旋罩承受的主要载荷。在旋罩设计过程中，一般通过风洞试验或流体分析软件获得不同工况下旋罩表面布点位置的气动载荷压力参数信息，再通过插值拟合算法获得固体有限元网格节点的压强值，并最终获得各个网格单元的压强值。最后，在有限元软件中将不同工况下的单元载荷施加到各个网格单元上，作为有限元模型的载荷边界条件，开展仿真分析计算，以评估旋罩结构的刚强度情况。由于气动载荷工况较多，且涉及到不同软件之间的数据交换，采用人工加载的方式工作量很大，给旋罩的详细设计校核带来了很大困难。因此需要设计一种高效的旋罩分析方法来解决现有手段中存在的问题。


技术实现要素：

4.为解决现有的技术问题，本发明提供了一种机载雷达天线旋罩的多工况气动载荷有限元自动加载方法。
5.本发明的具体内容如下：机载雷达天线旋罩的多工况气动载荷有限元自动加载方法，包括如下步骤：
6.步骤1：获取不同姿态工况下旋罩表面阵列布点的气动载荷，并形成载荷数据文件，阵列布点的位置以局部坐标的形式形成位置文件；
7.步骤2：对旋罩结构模型进行有限元网格划分，导出网格的单元、节点信息文件及包含单元复合材料铺层属性的有限元模型，其中，单元信息包含各单元的属性、编号和其节点编号，节点信息包含节点编号和节点x、y、z坐标；
8.步骤3：将步骤2的有限元网格节点坐标转换为局部坐标，根据旋转角度对节点局部坐标进行坐标转换；在此基础上，将步骤1某工况角度下的阵列布点的气动载荷插值拟合到有限元网格节点上，并通过节点平均的方法获得各个单元的气压参数值，最终生成patran可读取的载荷场文件；
9.步骤4：将步骤2的hypermesh网格模型及步骤3的载荷场文件导入patran软件，开展旋罩的刚强度分析校核。
10.进一步的，步骤1包括：以风动试验或流体仿真分析手段获取不同姿态工况下旋罩表面阵列布点的气动载荷，在旋罩局部坐标系下的阵列布点位置的气动载荷进行提取，并
以文件形式导出，生成布点气动载荷工况信息文件，载荷信息分别包含了旋罩上、下表面的载荷，并在文件不同的行进行显示。
11.进一步的，步骤2包括：采用有限元软件对几何模型进行壳网格划分，导出单元信息文件和节点信息文件；其中，单元可有3边形和4边形两种形式；
12.进一步的，步骤3包括：
13.步骤31：读取步骤2有限元网格节点信息文件，根据旋转角度要求，通过坐标转换生成局部坐标系下的节点信息；
14.步骤32：在同一局部坐标系下，通过二次插值方法将阵列布点气动载荷插值到有限元节点上，生成节点气动载荷信息文件，插值时要先识别节点位置信息，通过位置来确定用上表面或下表面的阵列布点气动载荷矩阵插值；
15.步骤33：导入步骤2的有限元单元信息文件，通过节点平均方法，获得单元气动载荷信息文件，该文件可直接被有限元分析软件patran通过载荷场文件读取。
16.进一步的，步骤4包括：将步骤2的有限元模型文件和步骤3的载荷场文件导入patran软件中，开展不同气动载荷工况下旋罩的刚强度分析，为结构的设计提供校核和优化。
17.本发明提供一种旋罩多工况气动载荷自动加载方法来克服人工加载的缺陷。该方法基于matlab开发了旋罩气动载荷处理方法，可一次性读取不同工况下的气动载荷文件，自动转化为不同旋转角度下的有限元载荷，并依次生成patran软件可直接读取的载荷场文件，便于开展多工况、不同旋转角度下旋罩结构的有限元仿真分析校核。方法能考虑不同罩体形状、不同旋转角度、攻角的情况，通用性好，为类似的旋罩分析设计节省了很多时间。
附图说明
18.下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步阐明。
19.图1为本发明的气动载荷有限元自动加载方法流程图；
20.图2为旋罩气动载荷局部坐标示意图；
21.图3为载荷数据文件读取的示意图；
22.图4为单元信息文件的示意图；
23.图5为节点信息文件的示意图；
24.图6为有限元网格模型的示意图；
25.图7为坐标转换程序的示意图；
26.图8为有限元节点气动载荷插值示意图；
27.图9为单元载荷场文件的示意图；
28.图10为气动载荷作用下旋罩结构的位移云图；
29.图11为气动载荷作用下旋罩结构的失效云图。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明实施例中的技术流程和实现方法进行详细描述。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
31.图1是根据本发明一实施例的旋罩多工况气动载荷有限元自动加载的流程示意图。在该举例中，基于matlab进行技术方法的实现，网格划分采用hypermesh软件，仿真计算采用patran/nastran软件。如图1所示的旋罩多工况气动载荷有限元自动加载流程，其包括以下步骤：
32.步骤1：以风动试验或流体仿真分析手段获取不同姿态工况下旋罩表面阵列布点的气动载荷(气压参数)，并形成载荷数据文件loadcase_i.txt，阵列布点的位置以局部坐标的形式形成位置文件；在此基础上，通过坐标转换，分别生成各工况不同旋转角度下的气动载荷文件。
33.某旋罩模型局部坐标如图2所示，阵列布点时，以圆盘半径为参考长度的z向共布m个点，以x向弦长为参考长度共布2n个点(旋罩上、下表面各布n点)，形成气动载荷数据文件。数据文件共有2n行、m列个数据。通过图3程序(包括读入试验载荷数据文件、打开吹风试验数据记录和将旋罩分为上下两层)读入试验载荷数据文件，一次性可读取多个文件。
34.步骤2：对旋罩结构模型进行有限元网格划分，导出网格的单元、节点信息文件及包含单元复合材料铺层属性的有限元模型(如图4-图6所示)。其中，单元信息包含各单元的属性(3边形单元或4边形单元)、编号和其节点编号；所述节点信息包含节点编号和节点x、y、z坐标。
35.步骤3：将所述步骤2的有限元网格节点坐标转换为局部坐标，根据旋转角度对节点局部坐标进行坐标转换(如图7所示，包括经典坐标变换，局部坐标系沿y轴逆时针旋转；逆时针为正，theta角度)，在此基础上，将步骤1某工况角度下的阵列布点的气动载荷二次样条插值拟合到有限元网格节点上(如图8所示)，插值函数如下：
36.[p(i)]＝interp2(x,z,prepos,xp,zp,'spline')
[0037]
生成节点气动载荷信息文件loadcase_i-k.txt，格式如表1所示：
[0038]
表1节点气动载荷信息文件
[0039]
节点编号气动载荷值ipijpjkpk[0040]
并通过节点平均的方法获得各个单元的气压参数值，最终生成patran可读取的载荷场文件pe_i-k.csv，如图9所示，把偶偶单元号和启动载荷值。
[0041]
步骤4：将所述步骤2的hypermesh网格模型及所述步骤3的载荷场文件导入patran软件，开展旋罩的刚强度分析校核。某气动载荷工况下旋罩结构的位移云图及失效云图如图10和图11所示。
[0042]
在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

技术特征：
1.机载雷达天线旋罩的多工况气动载荷有限元自动加载方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：获取不同姿态工况下旋罩表面阵列布点的气动载荷，并形成载荷数据文件，阵列布点的位置以局部坐标的形式形成位置文件；步骤2：对旋罩结构模型进行有限元网格划分，导出网格的单元、节点信息文件及包含单元复合材料铺层属性的有限元模型，其中，单元信息包含各单元的属性、编号和其节点编号，节点信息包含节点编号和节点x、y、z坐标；步骤3：将步骤2的有限元网格节点坐标转换为局部坐标，根据旋转角度对节点局部坐标进行坐标转换；在此基础上，将步骤1某工况角度下的阵列布点的气动载荷插值拟合到有限元网格节点上，并通过节点平均的方法获得各个单元的气压参数值，最终生成patran可读取的载荷场文件；步骤4：将步骤2的hypermesh网格模型及步骤3的载荷场文件导入patran软件，开展旋罩的刚强度分析校核。2.根据权利要求1所述的机载雷达天线旋罩的多工况气动载荷有限元自动加载方法，其特征在于：步骤1包括：以风动试验或流体仿真分析手段获取不同姿态工况下旋罩表面阵列布点的气动载荷，在旋罩局部坐标系下的阵列布点位置的气动载荷进行提取，并以文件形式导出，生成布点气动载荷工况信息文件，载荷信息分别包含了旋罩上、下表面的载荷，并在文件不同的行进行显示。3.根据权利要求1所述的机载雷达天线旋罩的多工况气动载荷有限元自动加载方法，其特征在于：步骤2包括：采用有限元软件对几何模型进行壳网格划分，导出单元信息文件和节点信息文件；其中，单元可有3边形和4边形两种形式。4.根据权利要求1所述的机载雷达天线旋罩的多工况气动载荷有限元自动加载方法，其特征在于：步骤3包括：步骤31：读取步骤2有限元网格节点信息文件，根据旋转角度要求，通过坐标转换生成局部坐标系下的节点信息；步骤32：在同一局部坐标系下，通过二次插值方法将阵列布点气动载荷插值到有限元节点上，生成节点气动载荷信息文件，插值时要先识别节点位置信息，通过位置来确定用上表面或下表面的阵列布点气动载荷矩阵插值；步骤33：导入步骤2的有限元单元信息文件，通过节点平均方法，获得单元气动载荷信息文件，该文件可直接被有限元分析软件patran通过载荷场文件读取。5.根据权利要求1所述的机载雷达天线旋罩的多工况气动载荷有限元自动加载方法，其特征在于：步骤4包括：将步骤2的有限元模型文件和步骤3的载荷场文件导入patran软件中，开展不同气动载荷工况下旋罩的刚强度分析，为结构的设计提供校核和优化。

技术总结
本发明涉及一种机载雷达天线旋罩的多工况气动载荷有限元自动加载方法，获取不同姿态工况下旋罩表面阵列布点的气动载荷，形成载荷数据文件，阵列布点的位置以局部坐标的形式形成位置文件；对旋罩结构模型进行有限元网格划分，导出网格的单元、节点信息文件及包含单元复合材料铺层属性的有限元模型；将有限元网格节点坐标转换为局部坐标，根据旋转角度对节点局部坐标进行坐标转换；将气动载荷插值拟合到有限元网格节点上，并通过节点平均的方法获得各个单元的气压参数值，生成载荷场文件；将Hypermesh网格模型及载荷场文件导入Patran软件，开展旋罩的刚强度分析校核。本方法通用性好，为类似的旋罩气动载荷分析设计节省很多时间。间。间。


技术研发人员：吴敬凯 黄志强 贺鹏 刘炳辉 沈明成
受保护的技术使用者：南京国睿防务系统有限公司
技术研发日：2021.11.30
技术公布日：2022/3/8