陳　博　陳秀華　汪　海

文章編號(hào)：1006-0871(2009)01-0022-05

摘 要：為使用模塊化方法實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)傷的快速修理，以MSC Patran為平臺(tái)，利用其二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言PCL和模型日志文件，通過(guò)自動(dòng)加載編譯函數(shù)文件、參數(shù)化建模、用戶(hù)自定義菜單和圖形界面、自動(dòng)提交分析和讀取結(jié)果等技術(shù)，開(kāi)發(fā)飛機(jī)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)傷快速修理程序. 使用此程序分析幾個(gè)典型案例，結(jié)果表明該程序不僅能滿(mǎn)足多數(shù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)傷修理的要求，而且可以大大縮短修理時(shí)間.

關(guān)鍵詞：飛機(jī)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)傷；快速修理；有限元；二次開(kāi)發(fā)；PCL；MSC Patran

中圖分類(lèi)號(hào)：V267；TP391.7；TB115

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Rapid repair program of aircraft battle damage based on MSC Patran

CHEN Bo琣，CHEN Xiuhua琤，WANG Hai琤

(a. School of Naval Architecture，Ocean & Civil Eng.；

b. Institute of Aerospace Sci. & Tech.，Shanghai Jiaotong Univ.，Shanghai 200240，China)

Abstract：To implement the rapid repair of aircraft battle damage using modularization method，a rapid repair program for aircraft battle damage is developed which is based on MSC Patran platform and programmed by the secondary development language PCL and model log files. The technologies such as automatic loading compiling function files，parametric modeling，user-defined menu and graphical interface，and automatic commit analysis and reading results are accomplished in the program. It is applied to several typical cases and the results indicate that the program can not only meet the most requirements of rapid repair of aircraft battle damage，but also greatly shorten the time needed in repair.

Key words：aircraft battle damage；rapid repair；finite element；secondary development；PCL；MSC Patran

0 引 言

飛機(jī)戰(zhàn)傷修理是1種應(yīng)急性臨時(shí)修理，它要求用最少的工具和時(shí)間完成修理，使受傷飛機(jī)盡量恢復(fù)到原來(lái)的剛度和強(qiáng)度.[1]針對(duì)飛機(jī)戰(zhàn)傷形式的不確定性，要使相應(yīng)修理方法及修理組件符合通用性和標(biāo)準(zhǔn)化要求，模塊化修理方法是實(shí)現(xiàn)快速修理的有效途徑.該方法的意義在于：當(dāng)作戰(zhàn)飛機(jī)受傷迫降后，修理人員能夠在非常短的時(shí)間內(nèi)，用少數(shù)幾種通用修理模塊使受傷飛機(jī)的靜強(qiáng)度得到基本恢復(fù).其中關(guān)鍵在于戰(zhàn)傷形式的多樣性，特別是損傷區(qū)尺寸、位置、損傷結(jié)構(gòu)及材料的不確定性，嚴(yán)重制約快速修理方法的實(shí)施.針對(duì)該問(wèn)題，本文利用MSC Patran的二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言PCL開(kāi)發(fā)出飛機(jī)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)傷快速修理的模塊化程序.

1 二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)簡(jiǎn)介

目前，MSC Patran是航空工業(yè)中有限元數(shù)據(jù)前后處理的標(biāo)準(zhǔn)軟件，擁有廣泛的用戶(hù)基礎(chǔ).其中，PCL是MSC Patran的1個(gè)高級(jí)模塊化結(jié)構(gòu)編程語(yǔ)言和用戶(hù)自定義工具，隨同MSC Patran一起發(fā)布.PCL語(yǔ)言類(lèi)似于C 語(yǔ)言和FORTRAN語(yǔ)言，幾乎具有標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言的全部功能，可提供比較豐富的函數(shù)，二次開(kāi)發(fā)能力較強(qiáng)，基本能滿(mǎn)足各種開(kāi)發(fā)的需要.現(xiàn)在，幾乎所有分析仿真軟件均利用被業(yè)界公認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的PCL 語(yǔ)言作為工具，建立與MSC Patran的集成關(guān)系，甚至通過(guò)OEM將MSC Patran作為其分析系統(tǒng)的前后處理器.[2]本文結(jié)合此飛機(jī)戰(zhàn)傷快速修理系統(tǒng)，介紹如何利用PCL語(yǔ)言建立自己的用戶(hù)化程序，特別是其中比較重要的參數(shù)化建模和用戶(hù)自定義界面功能.

2 二次開(kāi)發(fā)方法

2.1 PCL函數(shù)結(jié)構(gòu)

PCL語(yǔ)言中包含各種指令和固有函數(shù)，這些指令和固有函數(shù)預(yù)先由MSC Patran定義好，通過(guò)編寫(xiě)由這些固有函數(shù)和指令組成的函數(shù)文件或程序，用戶(hù)就可以通過(guò)函數(shù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自己需要的功能.PCL函數(shù)以“function 函數(shù)名()”聲明開(kāi)始，以“end function”聲明結(jié)束，其中，function聲明可以包含一組輸入和輸出參數(shù)，供其他函數(shù)調(diào)用.[3]

2.2 函數(shù)編譯

如果要實(shí)現(xiàn)某些指令，只需在Patran命令行中直接輸入對(duì)應(yīng)的固有函數(shù)即可.不過(guò)，用戶(hù)編寫(xiě)的PCL函數(shù)文件通常包含很多函數(shù)，如文中所編寫(xiě)的程序用到的PCL文件就包含數(shù)千條函數(shù)，顯然，使用這種逐行輸入的方法行不通，不過(guò)，可以使用MSC Patran的編譯指令!!input[4]進(jìn)行編譯，即在MSC Patran命令行中輸入!!input filename.pcl.

在每次打開(kāi)MSC Patran時(shí)，啟動(dòng)的文件如init.pcl，p3prolog.pcl，p3midilog.pcl和p3epilog.pcl等，都會(huì)被自動(dòng)加載編譯.[5]因此，在這些啟動(dòng)文件中輸入相應(yīng)指令，就可以將自己開(kāi)發(fā)的PCL文件或程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)編譯的功能.在開(kāi)發(fā)用戶(hù)自己的程序界面、定義變量、加載用戶(hù)參數(shù)化文件時(shí)，這一方法尤其重要，可以使用戶(hù)的自開(kāi)發(fā)程序與MSC Patran完美集成在一起.本文就是利用init.pcl和p3epilog.pcl文件自動(dòng)加載自編程序文件.

2.3 界面函數(shù)

為了使開(kāi)發(fā)的用戶(hù)程序具有交互性、可操作性及直觀(guān)性，可以用PCL語(yǔ)言創(chuàng)建用戶(hù)圖形界面.MSC Patran中包含幾乎所有都由PCL創(chuàng)建的窗體和按鈕.每個(gè)窗體都通過(guò)1個(gè)類(lèi)來(lái)定義，其中必須包括2個(gè)函數(shù)：init()和display().界面程序的函數(shù)結(jié)構(gòu)如下(在PCL 語(yǔ)言中，注釋由 “/*” 開(kāi)始，以“*/”結(jié)束)：

CLASS classname

FUNCTION init()

main_form = ui_form_create()/*創(chuàng)建窗體*/

END FUNCTION

FUNCTION display()

ui_wid_set() /*設(shè)置窗體上控件的屬性*/

ui_form_display(“classname”)/*顯示窗體*/

END FUNCTION

END CLASS

3 飛機(jī)戰(zhàn)傷快速修理程序

3.1 參數(shù)化建模

使用PCL創(chuàng)建參數(shù)化模型可以使各種參數(shù)設(shè)計(jì)或優(yōu)化分析工作更加簡(jiǎn)單、快捷，特別是能夠極為顯著地縮短模型建立時(shí)間，減少錯(cuò)誤發(fā)生，使用戶(hù)遠(yuǎn)離繁瑣重復(fù)的工作，專(zhuān)心于理論分析研究.[6]

參數(shù)化就是將那些原本固定不變的量(幾何尺寸、單元屬性、材料屬性、邊界條件等幾乎所有可以由用戶(hù)在MSC Patran界面上輸入或確定的值)用可以實(shí)時(shí)改變的參數(shù)變量代替，改變這些參數(shù)變量就可建立新的分析模型.而飛機(jī)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)傷快速修理程序就建立在參數(shù)化建模的基礎(chǔ)上，所用到的7個(gè)參數(shù)化模型文件分別對(duì)應(yīng)7種不同類(lèi)型的損傷.如在橫向構(gòu)件補(bǔ)框修理的參數(shù)化模型文件frame.pcl中，參數(shù)變量多達(dá)9個(gè)，包括破孔半徑、膠接寬度、膠層厚度、彎邊高度、補(bǔ)片厚度、母板厚度、邊界條件、母板材料和補(bǔ)片材料.其中：母板材料和補(bǔ)片材料均為3種，分別是Al，Steel和Composite；邊界條件分為“大”、“中”、“小”3種，分別對(duì)應(yīng)不同的損傷結(jié)構(gòu)和損傷位置.改變其中任意1個(gè)參數(shù)變量，就可以在數(shù)分鐘之內(nèi)得到完全不同的補(bǔ)框修理模型，極大節(jié)省在飛機(jī)戰(zhàn)傷修理中至關(guān)重要的時(shí)間；而且此參數(shù)化模型允許同時(shí)改變9個(gè)參數(shù)，幾乎涵蓋各種橫向構(gòu)件補(bǔ)框修理情況，這在損傷情況常常難以預(yù)料的飛機(jī)戰(zhàn)傷修理中十分重要.同時(shí)對(duì)修理區(qū)域進(jìn)行有限元網(wǎng)格細(xì)化，以提高模型分析的準(zhǔn)確程度.[7]圖1為建立的橫向構(gòu)件補(bǔ)框修理有限元模型.

圖 1 橫向構(gòu)件補(bǔ)框修理有限元模型

這些文件中的PCL命令有幾千行之多，如果全都用手工編寫(xiě)函數(shù)命令的方式，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還容易出錯(cuò).因此，本文利用MSC Patran生成的模型日志文件(dbname.jou)編寫(xiě)自己的參數(shù)化模型文件.建模過(guò)程中用戶(hù)的每個(gè)操作，最終都通過(guò)執(zhí)行MSC Patran中的1個(gè)或1組固有函數(shù)實(shí)現(xiàn)，日志文件中記錄從模型建立開(kāi)始所有的用戶(hù)操作所對(duì)應(yīng)的固有函數(shù).在確定好模型的參數(shù)化變量后，在日志文件中找到對(duì)應(yīng)的固有函數(shù)，將其中的常量用參數(shù)化變量代替，這樣，改變這些參數(shù)化變量的值，就可以得到不同的模型.

3.2 用戶(hù)圖形界面

考慮到程序的可操作性，用PCL語(yǔ)言在MSC Patran主菜單下創(chuàng)建“飛機(jī)戰(zhàn)傷快速修理程序”主菜單，其中包括“板類(lèi)構(gòu)件補(bǔ)片修理”、“縱向構(gòu)件補(bǔ)條修理”、“橫向構(gòu)件補(bǔ)框修理”、 “補(bǔ)片和補(bǔ)條組合修理”、“補(bǔ)片和補(bǔ)框組合修理”、“補(bǔ)條和補(bǔ)框組合修理” 、“補(bǔ)片、補(bǔ)條和補(bǔ)框綜合修理”7個(gè)子菜單，點(diǎn)擊子菜單就會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的用戶(hù)修理界面.

圖 2 “橫向構(gòu)件補(bǔ)框修理”用戶(hù)界面

圖2為修理程序子菜單“橫向構(gòu)件補(bǔ)框修理”所對(duì)應(yīng)的用戶(hù)修理界面.在此用戶(hù)修理界面上，用戶(hù)在數(shù)據(jù)框中輸入該損傷類(lèi)型結(jié)構(gòu)的修理信息，即模型的幾何參數(shù)值部分，同時(shí)通過(guò)選擇按鈕選取母板和補(bǔ)片材料及邊界條件.為分析方便，還編制自動(dòng)提交分析和讀取結(jié)果的程序，該程序主要以db_info_get.pcl，analysis_submit_op2.pcl和access_results_op2.pcl函數(shù)文件為基礎(chǔ).這樣，用戶(hù)在點(diǎn)擊修理界面上的“確定”按鈕后，該修理程序就將建立模型、分析計(jì)算、讀取結(jié)果等工作自動(dòng)完成.待修理程序執(zhí)行完畢后，用戶(hù)只需到MSC Patran的 “Results”窗口中查看結(jié)果即可.

4 計(jì)算實(shí)例

4.1 受穿甲彈損傷的蒙皮

某飛機(jī)機(jī)翼靠近機(jī)身部位的厚蒙皮遭穿甲彈破壞，形成近似圓形破孔式戰(zhàn)傷.經(jīng)預(yù)處理，清除應(yīng)力集中區(qū)域后，戰(zhàn)傷近似按圓形缺損處理，可采用修理板類(lèi)構(gòu)件的圓形補(bǔ)片進(jìn)行膠接修理.圓形補(bǔ)片標(biāo)準(zhǔn)件有多種規(guī)格，材料也有所不同，應(yīng)通過(guò)各修理方案的比較分析決定采用何種規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)件.

經(jīng)測(cè)量，材料為鋁合金，蒙皮厚度為12 mm，圓洞直徑為80 mm.

備選修理標(biāo)準(zhǔn)件有2種：

(1)直徑為150 mm，厚度為5 mm；

(2)直徑為200 mm，厚度為5 mm.

膠黏劑選用FM 73，膠層厚度為0.2 mm，考慮到受損蒙皮的位置和結(jié)構(gòu)，選擇邊界條件“中”，載荷為雙向拉伸載荷.

分析后，給出補(bǔ)片上從補(bǔ)片圓心起沿x半徑方向的應(yīng)力變化，見(jiàn)圖3和4.

圖 3 補(bǔ)片(1)沿半徑方向的應(yīng)力變化

圖 4 補(bǔ)片(2)沿半徑方向的應(yīng)力變化

可見(jiàn)，使用200 mm規(guī)格的補(bǔ)片，修理后的應(yīng)力水平與使用150 mm規(guī)格時(shí)相當(dāng)，但是修理效率下降.考慮到減重原則，只需選用150 mm直徑規(guī)格的補(bǔ)片即可.圖5即為用150 mm直徑規(guī)格補(bǔ)片修理后的應(yīng)力云圖.

圖 5 蒙皮膠接修理的應(yīng)力云圖

4.2 受炮彈襲擊的機(jī)身隔框受損縱向構(gòu)件

某飛機(jī)機(jī)身中部受炮彈襲擊，非主承力隔框及附近區(qū)域受損.受傷構(gòu)件有3個(gè)：蒙皮、長(zhǎng)桁、隔框.由于蒙皮的修理標(biāo)準(zhǔn)件選取在第4.1節(jié)中已經(jīng)分析，下面專(zhuān)門(mén)對(duì)長(zhǎng)桁及隔框的修理進(jìn)行分析.

4.2.1 長(zhǎng)桁修理

飛機(jī)上縱向構(gòu)件的截面形狀多為L(zhǎng)型角材，型材的受損長(zhǎng)度為200 mm.

型材標(biāo)準(zhǔn)件的規(guī)格即為型材截面的幾何形狀和尺寸，基本參照現(xiàn)役飛機(jī)中縱向構(gòu)件截面尺寸制成不同規(guī)格的型材.由于補(bǔ)條標(biāo)準(zhǔn)件規(guī)格的選取以截面尺寸近似母體截面尺寸為準(zhǔn)，所以此快速修理程序在縱向構(gòu)件修理標(biāo)準(zhǔn)模塊選取上的作用是決定膠接長(zhǎng)度，即決定標(biāo)準(zhǔn)件型材的長(zhǎng)度.

經(jīng)測(cè)量，長(zhǎng)桁為L(zhǎng)型角材，厚度為5 mm，材彎邊長(zhǎng)度均為30 mm，材料為鋁合金.補(bǔ)條標(biāo)準(zhǔn)件的厚度為3 mm，其角材邊長(zhǎng)取受傷型材的幾何尺寸.

膠接長(zhǎng)度由用戶(hù)自行給定.本實(shí)例取膠接長(zhǎng)度為50 mm和100 mm分別進(jìn)行計(jì)算.

膠黏劑選用FM 73，膠層厚度為0.2 mm.考慮到受損部位的位置和空間結(jié)構(gòu)，選擇邊界條件“大”，載荷為長(zhǎng)桁軸向拉伸載荷.進(jìn)行靜強(qiáng)度分析后比較2種膠接長(zhǎng)度補(bǔ)條上沿棱邊的應(yīng)力變化，見(jiàn)圖6和7.

圖 6 膠接長(zhǎng)度為50 mm時(shí)沿補(bǔ)條棱邊的應(yīng)力變化

圖 7 膠接長(zhǎng)度為100 mm時(shí)沿補(bǔ)條棱邊的應(yīng)力變化

圖6和7中補(bǔ)條上靠近膠接部位的位置有個(gè)應(yīng)力突變，這是由于補(bǔ)條上靠近膠接部位的部分彎曲變形最大所引起的附加彎矩所致.使用2種膠接長(zhǎng)度，修理后的強(qiáng)度相當(dāng)，使用較長(zhǎng)的膠接長(zhǎng)度并不能提高修理效率.所以，膠接長(zhǎng)度選為補(bǔ)條50 mm時(shí)修理效果較為理想.圖8為使用膠接長(zhǎng)度50 mm修理后的應(yīng)力云圖.

圖 8 長(zhǎng)桁膠接修理的應(yīng)力云圖

4.2.2 隔框修理

隔框所在平面與長(zhǎng)桁的方向垂直，由于炮彈對(duì)機(jī)體損傷可被近似看成半球形，因此可認(rèn)為隔框邊緣出現(xiàn)半圓型破損后導(dǎo)致隔框的彎邊缺失，破損直徑與長(zhǎng)桁的受損長(zhǎng)度一致.破損直徑為200 mm.

經(jīng)測(cè)量，隔框厚度為5 mm，彎邊長(zhǎng)度為20 mm，材料為鋁合金.

備選修理標(biāo)準(zhǔn)件有：

(1)膠接寬度為20 mm，厚度為3 mm，彎邊長(zhǎng)度為20 mm；

(2)膠接寬度為40 mm，厚度為3 mm，彎邊長(zhǎng)度為30 mm.

材料為鋁合金.

膠黏劑選用FM 73，膠層厚度為0.2 mm.考慮到受損部位的位置和空間結(jié)構(gòu)，選擇邊界條件“大”.系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行隔框的膠接修理有限元模型的建立并進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

分析表1中的數(shù)據(jù)可知，選擇第2種標(biāo)準(zhǔn)件的修理效果較為理想.圖9為膠接寬度選為40 mm，彎邊長(zhǎng)度選為30 mm時(shí)的應(yīng)力云圖.

圖 9 隔框膠接修理的應(yīng)力云圖

如果外場(chǎng)維修人員具有中等專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平，那么，對(duì)于相同的戰(zhàn)傷，采用此快速修理程序與傳統(tǒng)維修方法在確定最終修理方案上所需要的時(shí)間對(duì)比見(jiàn)表2.

粗略計(jì)算可知，使用該程序進(jìn)行修理的效率要比傳統(tǒng)維修方法至少提高10倍.

5 結(jié) 論

(1)以有限元軟件MSC Patran為平臺(tái)，利用其二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言PCL和模型日志文件開(kāi)發(fā)飛機(jī)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)傷快速修理程序.幾個(gè)典型戰(zhàn)傷修理案例的應(yīng)用結(jié)果表明，該程序應(yīng)用范圍較廣，能顯著提高修理效率.同時(shí)，程序界面為MSC Patran風(fēng)格，比較直觀(guān)，易于操作和掌握.

(2)以該修理程序?yàn)榛A(chǔ)，介紹使用PCL語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的流程、PCL函數(shù)結(jié)構(gòu)和編譯方法、參數(shù)化建立模型、自動(dòng)提交分析和讀取結(jié)果技術(shù)、以及用戶(hù)圖形界面和菜單的創(chuàng)建過(guò)程，充分體現(xiàn)PCL語(yǔ)言在自編程序開(kāi)發(fā)、與MSC Patran軟件系統(tǒng)集成方面的優(yōu)越性，為其他用戶(hù)對(duì)MSC Patran進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)提供方法和思路.

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(編輯 廖粵新)