一种航空结构件疲劳断裂分析及剩余寿命评估方法、装置、设备及存储介质

1.本发明属于计算机辅助设计与制造领域，更深入地涉及一种航空结构件疲劳断裂分析及剩余寿命评估方法。


背景技术：

2.随着航空航天等行业的迅速发展，对航空结构件等关键部件的更新速度带来了新的挑战，航空结构件裂纹面的可靠性修复技术是各大航空公司竞争的主要技术之一。由于航空结构件结构较大，应用时受力状态复杂，在服役过程中不可避免的产生划伤、磨损、裂纹等微小缺陷，继续服役会出现较大的安全隐患，但目前航空结构件造价过大，换新成本昂贵，周期过长且造成资源浪费。采用特定的表面修复技术可恢复损伤零件的性能，使其达到原始结构件的服役要求，在节约资源的同时给航空公司节省了成本开支。
3.在对含有裂纹等缺陷的结构件进行表面修复前，需要进行高精度的疲劳裂纹扩展仿真模拟，而模拟结果与单元划分质量密切相关。当航空结构件含裂纹或者缺陷时，应用边界元法分析裂纹问题，裂纹面含有大量的近奇异积分，而处理近奇异积分在数学和算法实现上相当困难。近奇异积分的计算精度直接影响边界元法分析航空结构件的应变、应力精度以及相应的断裂力学性能参数，进而影响对其疲劳断裂破坏过程的分析。
4.虽然边界元法在该领域的应用困难重重，然而值得注意是，近年来取得了一系列重要进展，具体表现在，针对航空结构件疲劳断裂分析及剩余寿命评估方法主要提出了单元细分法和解析和半解析方法等。目前此类近奇异积分算法还存在一些问题，比如，常用的单元细分法其计算精度严重依赖于单元形状和源点位置；解析法和半解析法应用于含曲面特征的单元时难以实现。本发明致力于减少各种近奇异积分非线性变换对源点位置依赖性，克服近奇异积分的单元形状效应。


技术实现要素：

5.针对航空结构件疲劳裂纹扩展的近奇异积分计算难题，本发明实施的目的在于提出一种快速高效的航空结构件疲劳裂纹扩展的近奇异积分积分方法，提高积分的计算效率和计算精度，对整个计算机辅助设计与制造领域发展具有重要作用。
6.为达到上述目的，本发明实施例提供了一种航空结构件疲劳断裂分析及剩余寿命评估方法、装置、设备及存储介质，通过建立疲劳裂纹扩展问题计算模型、离散计算单元、单元预处理、投影区域及细分区域的构建、细分区域及投影区域的处理实现航空结构件疲劳裂纹面中的近奇异积分的计算，包括以下步骤：包括以下步骤：（1）建立航空结构件疲劳裂纹扩展问题计算模型并离散计算域；（2）计算单元内部构建参考源点及单元预处理；（3）基于仿射变换方法和特征分区技术构建细分区域和投影区域；（4）基于仿射变换的细分区域自适应单元细分；
（5）基于径向投影算法重构投影区域和参考源点间的积分子块；（6）采用serendipity积分单元构建参考源点附近的积分子块。
7.优选地，步骤（1）中，当边界元法计算含有裂纹等非理想几何特征的航空结构件时，近奇异积分大量存在，需要确定含有源点的计算单元。将计算模型离散为有限个互不重叠的计算单元，对每个单元进行数值积分，计算疲劳裂纹扩展分析中的近奇异积分。需将航空结构件裂纹面的几何数据作为输入，以b-rep文件形式输出并作为疲劳裂纹扩展分析程序的输入。
8.优选地，步骤（2）包括以下子步骤：（2.1）构建参考源点。确定源点与单元的相对位置关系，将源点垂直投射至单元内部；（2.2）初始单元的预处理。将参考源点与单元顶点相连后，通过纵横比、扁平率、邻边角、边长比对分区的质量进行评判，其中合格的区域需满足以下条件。（a）纵横比。纵横比是指参考源点到单元边界的垂直距离与单元边界两顶点的线段长度的比值，合格区域的纵横比需小于0.1；（b）扁平率。扁平率是指参考源点到单元边界的垂直距离与中心点到单元边界垂直距离之比，合格区域的扁平率需小于0.3；（c）邻边角。邻边角是指以参考源点和顶点相连的两线段为边组成的夹角，合格区域的邻边角尽可能的小于90
°
；（d）边长比。边长比是指参考源点与顶点相连的短边与长边之比，合格区域的边长比小于0.3。
9.优选地，步骤（3）包括以下子步骤：（3.1）考虑参考源点及单元形状的特征分区。根据参考源点在单元内部的位置，采用仿射变换中的缩放变换和平移变换对初始单元自适应细分，构建单元细分区域和单元投影区域；（3.2）单元投影区域的构建。采用仿射变换在单元的参考源点处对初始单元进行缩放，再根据参考源点与初始单元的相对位置关系，使用平移变换将包围盒沿着指定方向移动到参考源点所在的位置，得到包含参考源点的投影区域；（3.3）单元细分区域的构建。单元投影区域构建完成后，对于参考源点位置规则的单元，将单元的顶点与投影区域的顶点相连接，按照基本的分区方案构造初始单元的细分区域。以线性三角形单元为例，参考源点位于单元顶点附近时，将该类型单元一个投影区域和一个细分区域。当参考源点靠近单元边界时，该类型单元划分为一个投影区域和两个细分区域。当参考源点位于单元内部时，该类型单元划分为一个投影区域和三个细分区域；对于参考源点在单元内部不规则的单元，如分区质量较差，则对其进行退化处理。以线性三角形单元为例，参考源点位于单元内部且靠近单元边界以及单元顶点时，存在两处低质量区域，需退化为一个细分区域；参考源点位于单元内部同时靠近单元边界时，存在一处低质量区域，需退化成两个细分区域。
10.优选地，步骤（4）包括以下子步骤：（4.1）确定仿射变换的单元细分准则。根据参考源点到细分区域中心点的距离d、参考源点到单元顶点的最大距离r
max
，确定单元的细分准则，单元细分准则定义为d《r
max
/2i；（4.2）基于仿射变换的单元细分。依据细分准则，对所有的单元细分区域进行细分,若子单元不满足细分准则，则对子单元进行递归细分，直到所有细分子单元满足细分准
则停止细分。
11.优选地，步骤（5）包括以下子步骤：（5.1）根据参考源点与投影区域的相对位置采用不同的积分子块生成方法。参考源点位于单元投影区域的顶点或边界附近，需要先构建几何投影多边形进行优化处理，再对其进行投影；参考源点位于投影区域的中心，采用直接投影方法得到高质量的积分子块；（5.2）采用径向投影算法重构参考源点和投影区域之间的细分子块。将投影区域沿球的半径方向逐层插入三角形、四边形的单元来填充单元投影区域边界和球面之间的空隙。
12.优选地，步骤（6）包括以下子步骤：（6.1）构建考虑疲劳裂纹扩展基本解性质的近奇异积分方案，采用基于仿射变换的自适应单元细分方法为核心的近奇异积分方法，解决复杂航空结构件裂纹扩展面的近奇异积分难题；（6.2）采用仿射变换及特征分区技术对积分单元进行合理分块，解决航空结构件裂纹面的近奇异积分难题；（6.3）采用serendipity积分单元构建源点附近的积分子块，其余积分单元则采用传统积分方法进行计算。
13.相对于现有技术，本发明所示实施例提供了一种航空结构件疲劳断裂分析及剩余寿命评估方法、装置、设备及存储介质，以上一系列的单元细分流程，一方面能够实现包含裂纹等细小特征的几何模型的单元细分，使积分点在单元内部合理分布；另一方面能够由高效的并行单元细分电子设备自动执行，无需过多人工干预，可实现复杂航空结构件裂纹面近奇异积分的数值计算，降低几何建模及数值仿真的时间成本，提高裂纹面单元的计算效率、准确性和稳定性。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本发明实施例提供的一种航空结构件疲劳断裂分析及剩余寿命评估方法的流程示意图；图2为本发明实施例提供的一种航空结构件疲劳断裂分析及剩余寿命评估方法的近奇异积分计算装置的结构示意图；图3为本发明实施例提供的一种具有不同类型的航空结构件疲劳裂纹结构模型；图4为本发明实施例提供的一种近奇异积分单元生成电子设备的结构示意图。
实施方式
16.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所
有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
17.图1为本发明实施例提供的一种航空结构件疲劳断裂分析及剩余寿命评估方法的流程示意图，包括：s101：建立航空结构件疲劳裂纹扩展问题计算模型并离散计算域；s102：计算单元内部构建参考源点及单元预处理；s103：基于仿射变换方法和特征分区技术构建细分区域和投影区域；s104：基于仿射变换的细分区域自适应单元细分；s105：基于径向投影算法重构投影区域和参考源点间的积分子块；s106：采用serendipity积分单元构建参考源点附近的积分子块。
18.本发明实施例还提供了一种航空结构件疲劳裂纹扩展的近奇异积分计算装置，如图2所示，包括：初始模型输入模块201，用于所述输入航空结构件裂纹面的几何信息，离散计算单元；单元自动处理模块202，用于处理计算单元，构建单元内部参考源点；单元特征分区模块203，用于航空结构件裂纹面中计算单元的区域划分；细分区域剖分模块204，用于构建裂纹面中计算单元的细分区域积分子块；投影区域处理模块205，用于构建裂纹面中单元参考源点和投影区域间的积分子块；单元数值积分模块206，用于计算裂纹面计算单元中的近奇异积分；数据存储更新模块207，用于存储所述模型的积分子块数据，更新最终积分数据。
19.示例性地，图3给出了本发明实施例提供的一种具有不同类型的裂纹结构模型。常见的航空结构件疲劳裂纹结构包含：图3（a）张开型裂纹结构；图3（b）滑开型裂纹结构；图3（c）撕开型裂纹结构。基于cae平台二次开发功能自动识别并定义疲劳裂纹的几何特征，以b-rep文件形式构建cad/cae核心数据模块，实现航空结构件裂纹面中近奇异积分的计算。
20.本发明实施例还提供了一种单元细分电子设备，如图3所示，包括存储器401和处理器402、可视化装置403；存储器401，用于存储单元细分的计算机程序及单元生成数据，对于大规模的航空结构件断裂面中的近奇异积分分析，基于分布式和共享式的存储策略实现三角形、四边形单元生成，采用ram和nvm存储器等实现计算机程序的可读存储；处理器402，用于执行存储器401上所存放的单元细分程序，实现上述任意一种适用于航空结构件裂纹扩展分析的单元细分方法；可视化装置403，用于显示航空件结构件裂纹面中的计算单元，将单元细分的数据转换成图形或图像进行可视化显示，提升友好的人机交互性。
21.以上结合具体实施方式和范例性实例对本技术进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本技术的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本技术精神和范围的情况下，可以对本技术技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本技术的范围内。本技术的保护范围以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种航空结构件疲劳断裂分析及剩余寿命评估方法、装置、设备及存储介质，包括如下步骤：（1）建立航空结构件疲劳裂纹扩展问题计算模型并离散计算域；（2）计算单元内部构建参考源点及单元预处理；（3）基于仿射变换方法和特征分区技术构建细分区域和投影区域；（4）基于仿射变换的细分区域自适应单元细分；（5）基于径向投影算法重构投影区域和参考源点间的积分子块；（6）采用serendipity积分单元构建参考源点附近的积分子块。2.根据权利要求1所述的航空结构件疲劳断裂分析及剩余寿命评估方法、装置、设备及存储介质，其特征在于，包括：初始模型输入模块，用于所述输入航空结构件裂纹面的几何信息，离散计算单元；单元自动处理模块，用于处理计算单元，构建单元内部参考源点；单元特征分区模块，用于航空结构件裂纹面中计算单元的区域划分；细分区域剖分模块，用于构建航空结构件裂纹面中计算单元的细分区域积分子块；投影区域处理模块，用于构建裂纹面中计算单元参考源点和投影区域间的积分子块；单元数值积分模块，用于计算航空结构件裂纹面计算单元中的近奇异积分；数据存储更新模块，用于存储所述模型的积分子块数据，更新最终积分数据。3.根据权利要求1所述的一种航空结构件疲劳断裂分析及剩余寿命评估方法、装置、设备及存储介质，其特征在于，所述初始模型输入模块，当边界元法计算含有裂纹等非理想几何特征的航空结构件时，近奇异积分大量存在，需要确定含有源点的计算单元。将计算模型离散为有限个互不重叠的计算单元，对每个单元进行数值积分，计算疲劳裂纹扩展分析中的近奇异积分。需将航空结构件裂纹面的几何数据作为输入，以b-rep文件形式输出并作为疲劳裂纹扩展分析程序的输入。4.如权利要求1所述的一种航空结构件疲劳断裂分析及剩余寿命评估方法、装置、设备及存储介质，其特征在于，所述单元自动处理模块包括：（2.1）构建参考源点。确定源点与单元的相对位置关系，将源点垂直投射至单元内部，单元内部的投影点统称为参考源点；（2.2）初始单元的预处理。将参考源点与单元顶点相连后，通过纵横比、扁平率、邻边角、边长比对分区的质量进行评判，其中合格的区域需满足以下条件。（a）纵横比。纵横比是指参考源点到单元边界的垂直距离与单元边界两顶点的线段长度的比值，合格区域的纵横比需小于0.1；（b）扁平率。扁平率是指参考源点到单元边界的垂直距离与中心点到单元边界垂直距离之比，合格区域的扁平率需小于0.3；（c）邻边角。邻边角是指以参考源点和顶点相连的两线段为边组成的夹角，合格区域的邻边角尽可能的小于90
°
；（d）边长比。边长比是指参考源点与顶点相连的短边与长边之比，合格区域的边长比小于0.3。5.如权利要求1所述的一种航空结构件疲劳断裂分析及剩余寿命评估方法、装置、设备及存储介质，其特征在于，所述单元特征分区模块包括：（3.1）考虑参考源点及单元形状的特征分区。根据参考源点在单元内部的位置，采用仿射变换中的缩放变换和平移变换对初始单元自适应细分，构建细分区域和投影区域；（3.2）单元投影区域的构建。采用仿射变换在单元的参考源点处对初始单元进行缩放，
再根据参考源点与初始单元的相对位置关系，使用平移变换将包围盒沿着指定方向移动到参考源点所在的位置，得到包含参考源点的投影区域；（3.3）单元细分区域的构建。单元投影区域构建完成后，将单元的顶点与投影区域的顶点相连接，按照基本的分区方案构造初始单元的细分区域。6.如权利要求1所述的一种航空结构件疲劳断裂分析及剩余寿命评估方法、装置、设备及存储介质，其特征在于，所述细分区域剖分模块包括：（4.1）确定仿射变换的单元细分准则。根据参考源点到细分区域中心点的距离d、参考源点到单元顶点的最大距离r
max
，确定单元的细分准则，单元细分准则定义为d<r
max
/2
i
；（4.2）基于仿射变换的单元细分。依据细分准则，对所有的单元细分区域进行细分,若子单元不满足细分准则，则对子单元进行递归细分，直到所有细分子单元满足细分准则停止细分。7.如权利要求1所述的一种航空结构件疲劳断裂分析及剩余寿命评估方法、装置、设备及存储介质，其特征在于，所述投影区域处理模块包括：（5.1）根据参考源点与投影区域的相对位置采用不同的积分子块生成方法。参考源点位于单元投影区域的顶点或边界附近，需要先构建几何投影多边形进行优化处理，再对其进行投影；参考源点位于投影区域的中心，采用直接投影方法得到高质量的积分子块；（5.2）采用径向投影算法重构参考源点和投影区域之间的细分子块。将投影区域沿球的半径方向逐层插入三角形、四边形单元来填充单元投影区域边界和球面之间的空隙。8.如权利要求1所述的一种航空结构件疲劳断裂分析及剩余寿命评估方法、装置、设备及存储介质，其特征在于，所述单元数值积分模块包括：（6.1）构建考虑疲劳裂纹扩展基本解性质的近奇异积分方案，采用基于仿射变换的自适应单元细分方法为核心的近奇异积分方法，解决复杂航空结构件疲劳裂纹面中的近奇异积分难题；（6.2）采用仿射变换及特征分区技术对积分单元进行合理分块，解决航空结构件裂纹面的近奇异积分难题；（6.3）采用serendipity积分单元构建源点附近的积分子块，其余积分单元则采用传统积分方法进行计算。9.如权利要求1所述的一种航空结构件疲劳断裂分析及剩余寿命评估方法、装置、设备及存储介质，其特征在于，所述电子设备包括存储器、处理器、可视化装置：存储器，用于存储单元细分的计算机程序及单元生成数据，对于大规模航空结构件疲劳裂纹扩展问题分析，基于分布式和共享式相结合的存储策略实现单元自适应细分；处理器，用于执行存储器上所存放的单元细分程序，实现权利要求1-8任一所述的方法步骤；可视化装置，用于显示航空结构件疲劳裂纹扩展问题分析的积分子块。

技术总结
本发明属于计算机辅助设计与制造领域，并公开了一种航空结构件疲劳断裂分析及剩余寿命评估方法、装置、设备及存储介质，包括以下步骤：（1）建立航空结构件疲劳裂纹扩展问题计算模型并离散计算域；（2）计算单元内部构建参考源点及单元预处理；（3）基于仿射变换方法和特征分区技术构建细分区域和投影区域；（4）基于仿射变换的细分区域自适应单元细分；（5）采用径向投影算法填充投影区域；（6）采用Serendipity积分单元构建参考源点附近的细分子块。本发明实现航空结构件疲劳断裂分析及剩余寿命评估的标准化、流程化，降低数值计算的成本，在保证积分效率的同时又提高了积分的精度。度。度。


技术研发人员：郭前建 池宝涛 贾志超 袁伟 王富顺 王楠楠 张宪成 白圣民
受保护的技术使用者：山东理工大学
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/16