一种积木式可重构颤振模型构建方法及系统与流程

1.本技术属于风洞试验技术领域，具体涉及一种积木式可重构颤振模型构建方法及系统。


背景技术：

2.气动弹性是一门研究弹性物体在气流中的力学行为的力学学科，其任务是研究气动力和弹性体之间的相互影响。在气动弹性问题的研究过程中，作为试验验证环节中必不可少的一部分——气动弹性风洞试验发挥了重要的作用。气动弹性风洞试验包括颤振试验、嗡鸣试验、突风响应试验、抖振试验及静气动弹性试验等，都是研究气动弹性现象的重要手段，其中以颤振风洞试验应用最为广泛。颤振风洞试验就其使用的风洞来分，主要可分为低速试验和跨声速试验。
3.由于低速风洞的试验段尺寸较大，模型在试验中受空气动力载荷较小，使得低速颤振模型相比跨声速颤振模型更便于设计和制造，同时由于低速风洞试验费用较低，因此低速颤振风洞试验比较适合进行参数影响研究。传统的低速颤振模型一般采用梁架式模型结构，即用金属梁架模拟翼面刚度特性，用木质结构框架模拟翼面空气动力外形。这种传统结构形式颤振模型虽然设计、加工简单，模型造价低廉，但是当风洞试验需要进行大量变参研究时就需要设计加工多个模型以完成不同的试验任务，从而提高试验总成本并降低了试验效率。因此，有必要面向低速颤振风洞试验设计一种低成本、可快速大范围变参的颤振模型。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本技术提供了一种积木式可重构颤振模型构建方法及系统，应用数学优化技术，对积木式可重构低速颤振模型的各分体模型的主要设计参数进行综合优化计算，并得出具体设计参数。
5.本技术第一方面提供了一种积木式可重构颤振模型构建方法，主要包括：
6.步骤s1、确定平尾颤振模型的设计目标及初始数学模型；
7.步骤s2、将所述平尾划分为多个分区模型，确定分区模型的个数，以及各分区模型的面积、位置及初始刚度、初始重量参数；
8.步骤s3、以实现风洞试验目标为约束，确定各分区模型的变参范围及参数组合；
9.步骤s4、以刚度和质量为优化目标，对每个分区模型进行单独优化；
10.步骤s5、将各分区模型进行组装，形成平尾颤震模型，以模型的颤振特性为目标进行整体优化，得出颤振模型的结构设计参数；
11.步骤s6、以增材制造工艺加工各分区模型。
12.优选的是，步骤s2中进一步包括：
13.步骤s21、针对每个分区模型，进行刚度及重量简化，得出单一区域的结构初始尺寸。
14.优选的是，步骤s21之后进一步包括：
15.步骤s22、修改所述分区模型的几何位置、尺寸、目标重量，直至满足设计或加工要求。
16.优选的是，步骤s3中，确定所述变参范围包括：
17.确定刚度的变参范围为初始刚度参数的80％～100％中的多个；
18.确定重量的变参范围为初始重量参数的80％～100％中的多个。
19.本技术第二方面提供了一种积木式可重构颤振模型构建系统，主要包括：
20.模型构建模块，用于确定平尾颤振模型的设计目标及初始数学模型；
21.分区模块，用于将所述平尾划分为多个分区模型，确定分区模型的个数，以及各分区模型的面积、位置及初始刚度、初始重量参数；
22.参数范围及组合给定模块，用于以实现风洞试验目标为约束，确定各分区模型的变参范围及参数组合；
23.分区优化模块，用于以刚度和质量为优化目标，对每个分区模型进行单独优化；
24.整体优化模块，用于将各分区模型进行组装，形成平尾颤震模型，以模型的颤振特性为目标进行整体优化，得出颤振模型的结构设计参数；
25.分区加工模块，用于以增材制造工艺加工各分区模型。
26.优选的是，所述分区模块包括：
27.初始化单元，用于针对每个分区模型，进行刚度及重量简化，得出单一区域的结构初始尺寸。
28.优选的是，所述分区模块还包括：
29.修正单元，用于修改所述分区模型的几何位置、尺寸、目标重量，直至满足设计或加工要求。
30.优选的是，所述参数范围及组合给定模块包括：
31.刚度参数范围给定单元，用于确定刚度的变参范围为初始刚度参数的80％～100％中的多个；
32.重量参数范围给定单元，用于确定重量的变参范围为初始重量参数的80％～100％中的多个。
33.本技术应用增材制造技术对各分体模型进行快速的批量复制，大幅提高加工效率并降低生产成本。
附图说明
34.图1为本技术积木式可重构颤振模型构建方法的一优选实施例的流程图。
35.图2为本技术图1所示实施例的平尾有限元模型示意图。
36.图3为本技术图1所示实施例的平尾分区示意图。
37.图4为本技术图1所示实施例的典型增材制造工艺分体模型示意图。
具体实施方式
38.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施方式中的附图，对本技术实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同
或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。基于本技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本技术保护的范围。下面结合附图对本技术的实施方式进行详细说明。
39.本技术第一方面提供了一种积木式可重构颤振模型构建方法，如图1所示，主要包括：
40.步骤s1、确定平尾颤振模型的设计目标及初始数学模型；
41.步骤s2、将所述平尾划分为多个分区模型，确定分区模型的个数，以及各分区模型的面积、位置及初始刚度、初始重量参数；
42.步骤s3、以实现风洞试验目标为约束，确定各分区模型的变参范围及参数组合；
43.步骤s4、以刚度和质量为优化目标，对每个分区模型进行单独优化；
44.步骤s5、将各分区模型进行组装，形成平尾颤震模型，以模型的颤振特性为目标进行整体优化，得出颤振模型的结构设计参数；
45.步骤s6、以增材制造工艺加工各分区模型。
46.在一些可选实施方式中，步骤s2中进一步包括：
47.步骤s21、针对每个分区模型，进行刚度及重量简化，得出单一区域的结构初始尺寸。
48.在一些可选实施方式中，步骤s21之后进一步包括：
49.步骤s22、修改所述分区模型的几何位置、尺寸、目标重量，直至满足设计或加工要求。
50.在一些可选实施方式中，步骤s3中，确定所述变参范围包括：
51.确定刚度的变参范围为初始刚度参数的80％～100％中的多个；
52.确定重量的变参范围为初始重量参数的80％～100％中的多个。
53.本技术步骤s1中，确定初始数学模型即建立初始的颤振模型动力学简化模型，步骤s2中，确定分体模型即通过对作为验证目标的实物模型的颤振特性、动力学特性、结构布局等设计输入的分析确定风洞试验模型需要设计的分体模型，其中包括分体模型的个数，面积和位置等。步骤s3中，确定变参范围及参数组合关系。按照风洞试验的目标、初始的分体模型和数学模型确定可以实现的风洞试验变参范围及参数组合。步骤s4及步骤s5中，确定仿真数学模型。引入数学优化方法对各分体模型的结构参数进行优化设计，同时进行变参后的分体模型结构设计，在这一过程中若出现结构设计无法满足试验要求时需重新调整已设定初始数学模型或变参范围，步骤s6中，分体模型加工及组合。应用增材制造工艺完成对各分体模型的批量制造，并对模型设计状态及各变参组合状态进行试装配。
54.本技术的主要的创新之处是将数学优化应用于积木式可重构的分体模型设计。具体而言，首先以数学模型和分体模型布置为输入，针对每个单一分体模型的刚度和质量分布进行优化，得出每个分体模型的初始结构设计；然后对模型进行组装，再以模型的颤振特性为目标进行整体优化并最终得出颤振模型的结构设计参数。
55.本技术的另一项创新之处在于应用增材制造工艺对各分体模型进行批量制造。其意义在于：
56.1)通过分体式的增材制造工艺同时解决了当前由于设备原因对模型整体尺寸的限制和局部变参对模型整体的影响；
57.2)通过增材制造大幅提高了模型加工效率，节省了大量的钳工修整工作时间；
58.3)通过批量制造的增材加工模型具有良好的互换性，为积木式可重构模型提供了基础。
59.以某全动平尾低速颤振风洞试验模型为例，模型的设计流程情况如图1所示。
60.1)确定平尾颤振模型的设计目标及初始数学模型，有限元模型如图2所示。
61.2)依据平尾的颤振分析结果、结构布局等设计输入条件将平尾进行分区，本实例中将平尾划分为12个区如图3所示。针对每个区域进行刚度、重量简化得出单一区域的结构初始尺寸。如果初始尺寸不满足设计或加工要求则进行方案更改，可修改的参数包括分体模型的几何位置、尺寸、目标重量等，直至初始设计基本满足要求。
62.3)按照试验任务书的要求规划变参范围、分体初始参数及组合等，例如刚度的100％、90％、80％，重量的100％、90％、80％等以及以上参数的组合方案。
63.4)对分体模型及组装后的平尾动力学模型进行分级优化，得到最终的模型结构参数，如果结构无法实现则要对分区方案进行调整并重新设计。
64.5)采用增材制造工艺进行模型加工，并对模型的各组合状态进行试装配。典型增材制造工艺分体模型如图4所示。
65.本技术第二方面提供了一种与上述方法对应的积木式可重构颤振模型构建系统，主要包括：
66.模型构建模块，用于确定平尾颤振模型的设计目标及初始数学模型；
67.分区模块，用于将所述平尾划分为多个分区模型，确定分区模型的个数，以及各分区模型的面积、位置及初始刚度、初始重量参数；
68.参数范围及组合给定模块，用于以实现风洞试验目标为约束，确定各分区模型的变参范围及参数组合；
69.分区优化模块，用于以刚度和质量为优化目标，对每个分区模型进行单独优化；
70.整体优化模块，用于将各分区模型进行组装，形成平尾颤震模型，以模型的颤振特性为目标进行整体优化，得出颤振模型的结构设计参数；
71.分区加工模块，用于以增材制造工艺加工各分区模型。
72.在一些可选实施方式中，所述分区模块包括：
73.初始化单元，用于针对每个分区模型，进行刚度及重量简化，得出单一区域的结构初始尺寸。
74.在一些可选实施方式中，所述分区模块还包括：
75.修正单元，用于修改所述分区模型的几何位置、尺寸、目标重量，直至满足设计或加工要求。
76.在一些可选实施方式中，所述参数范围及组合给定模块包括：
77.刚度参数范围给定单元，用于确定刚度的变参范围为初始刚度参数的80％～100％中的多个；
78.重量参数范围给定单元，用于确定重量的变参范围为初始重量参数的80％～100％中的多个。
79.通过本技术可以在进行模型设计初期通过对验证目标的合理规划及数学优化，得出分体模型样本的几何、刚度、重量等关键参数，并通过增材制造技术批量复制分体模型，最终在风洞试验中提供可靠的、大范围快速变参的颤振模型。本发明应用方法简单，实施方便，可在较低成本下大量提供可变参的颤振风洞试验模型分体模型，通过积木式的组合重构实现风洞试验中的变参研究，并能够提高试验效率、提高后续设计分析精度并提高试验的费效比。
80.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本技术作了详尽的描述，但在本技术基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本技术精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本技术要求保护的范围。