概述

      Wings USA, Inc.（一家總部位于威斯康星州 Janesville 的航空服務公司）與 TLG Aerospace 公司簽訂合同對某種輕型飛機計劃的改進方案進行分析。這種雙引擎飛機將要進行的改進是在鄰近飛機艙門的地板中裝入一個大型電流斷路器。 TLG 受邀對這種飛機修改前后的情況進行分析，以確定該修改是否會對機身剛度有顯著影響。 TLG 的工程師們在 CATIA V5 中生成了修改之前和之后的幾何體。為能裝下斷路器，去掉了機身地板中間位置的一段縱梁，并在下方外模線（OML）處增加了一段蒙皮。

挑戰

      原始的 CAD 幾何體是按照設計流程中達到的正常標準的精度創建的。 TLG的工程師們為此需要耗費大量的時間來完成幾何體清理工作，以便達到有限元分析及網格劃分所需的更高標準。就設計幾何體而言，CAD模型中通常會包含一些破碎的表面，無法縫合到一起的表面以及冗余重疊的表面。在本案例中，OML 曲率 與加強筋、框架、肋板或梁不匹配的位置有58處。 TGL 估算，采用傳統的表面幾何體工具手工完成這些修正需要 348 分鐘。幾何體上還有 44 處位置包含了不一致的表面，其中包括縫隙、干涉以及不匹配表面幾何體。據估算，清理每一處需要耗時4分鐘，總共需要耗時176分鐘。

      該 CAD 模型還包含許多有限元分析所不需要的額外細節。在 CAD 系統中不可能創建出擁有完美曲率和切線的復雜表面，因此 CAD 系統自動生成的是小平面。有限元前處理器沿著這些小平面添加節點線段會使網格扭曲，從而導致單元質量不佳，降低了分析精度。經查存在不必要小平面的表面有四處，據估算每處需要 耗時 15 分鐘完成幾何清理，共需要1小時。修改前結構的全部清理工作需要9.7小時。修改后結構也需要近似的時間完成清理工作，此項工作 ，對修改前結構所做的大部分清理工作可以被應用到修改后結構中。

      TLG 的工程師們做了個假設，在使用傳統幾何處理工具的情況下，清理修改前結構所耗費時間為全部工作耗時的 30%，清理修改后結構耗時為 2.9 小時。 因此全部的清理時間共計 12.6小時。TLG 的工程師們還假定修改前結構和修改后結構的網格劃分時間與幾何清理時間相當，因此全部的幾何體清理和網格劃分時間將達到25.2 小時。

解決/驗證

      TLG Aerospace 的工程師們借助基于計算部件技術的計算機輔助工程（CAE）系統 MSC Apex 解決了這些難題，出色地完成了幾何體清理和網格劃分工作。 MSC Apex 配有全套的直接建模工具，可提升幾何體清理和網格劃分的效率。 TLG Aerospace 工程總監 Robert Lind 表示：“MSC Apex 承擔了過去那些采用傳統程序顯得繁冗耗時、令人沮喪的幾何體處理任務，并將它們變成了簡便高效、樂此不疲的工作。這種針對網格劃分快速創建中間面，簡化幾何體的能力是獨一無二的。借助這種動態的網格劃分處理，對幾何體和網格參數進行修改的結果就會立竿見影。與傳統的網格劃分應用相比，它使用戶能夠實現高質量的網格劃分，同時大幅縮短了時間。”

      TLG 的工程師們只需要繞著整個模型畫出選擇框并輸入命令即可縫合表面。這條命令可修復模型中將近 70% 的表面。通過拖拽可以消除剩余表面之間的縫隙以及重疊，最終生成一致的表面。TLG 的工程師們在進行加強筋、框架、肋板或梁與 OML 的匹配時，只需將這些部件拖拽到OML 中，此時 Apex 會自動將各部件進行匹配形成一致的表面。

      在選擇小平面時，工程師們既可以在它上面點擊，也可以用選擇框將一組小平面包圍起來。然后他們通過一條指令去除所有選中的小平面。隨著幾何體清理完畢，網格會自動更新，因此網格劃分不需要額外的時間。這樣就能利用網格劃分結果來確定幾何體清理的最佳方式。使用 Apex對每個結構清理幾何體、創建網格所需的全部時間大約為3小時，全部完成需要6小時，比使用傳統工具節省了76%。

結果

       TLG 的工程師們在 OML 的前端創建了一個RBE2 剛體單元，用來將機身約束在艙門前的平臺上。 RBE2 獨立節點位于該部段的矩心，在所有的六個自由度上都受到約束。在 OML 的后端創建了 RBE3 插值單元，同時將 RBE2 獨立節點投影到后端平面上。在 RBE3 中心節點上沿垂直方向施加單位載荷。在 RBE3 獨立節點上沿垂直、水平及扭轉方向施加單位載荷。由此可對修改前和修改后機身的相對剛度變化分析進行比較。這些針對修改所做的分析結果為后續工作提供了必要的數據。

關于 TLG Aerospace

      TLG Aerospace 公司是一家從事航空航天工程服務的公司， 為新開發或改造飛機及航空航天相關產品提供設計、分析及認證服務。 TLG 以飛行器整體的分析與優化見長，其中包括靜態與動態載荷、顛簸、穩定性與操控性、氣動設計、計算流體動力學（ CFD）分析、美國聯邦航空局認證以及飛機性能與操縱品質。 公司的工程師先后參與過 40 多家不同制造商的 100 多種飛機型號的設計工作。（轉）