航空舱段结构降阶分析方法、系统及设备.pdf

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1、(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202410032291.6(22)申请日 2024.01.10(71)申请人 天目山实验室地址 311115 浙江省杭州市余杭区五常街道西溪八方城11幢3-14层 申请人 北京航空航天大学中国直升机设计研究所(72)发明人 董雷霆李春华张泽玮黄业增李明净李书贺天鹏(74)专利代理机构 北京高沃律师事务所 11569专利代理师 王爱涛(51)Int.Cl.G06F 30/15(2020.01)G06F 30/20(2020.01)G06F 111/04(2020.01)G06F 119/14(20。

2、20.01)(54)发明名称一种航空舱段结构降阶分析方法、系统及设备(57)摘要本发明公开了一种航空舱段结构降阶分析方法、系统及设备，涉及航空板壳结构设计技术领域。方法包括：构建单胞模型并仿真，进而确定当前单胞结构的等效刚度矩阵；基于所述等效刚度矩阵和所述周期性排列规则，利用有限元建模软件构建航空舱段结构的整体简化模型；以实际工况下的宏观载荷为条件，对整体简化模型进行有限元仿真，得到航空舱段结构中关注细节区域处的广义应力向量以确定航空舱段结构的细节力学响应，进而优化所述航空舱段结构。本发明通过构建航空舱段结构的降阶模型并进行多尺度分析，在维持仿真精度的基础上降低计算量，进而提高航空舱段结构的仿。

3、真分析效率。权利要求书4页 说明书17页 附图4页CN 117540494 A2024.02.09CN 117540494 A1.一种航空舱段结构降阶分析方法，其特征在于，包括：确定航空舱段结构中任一单胞结构为当前单胞结构；所述航空舱段结构为筒状结构；所述航空舱段结构是将多个所述单胞结构按照周期性排列规则进行排列的得到的；所述周期性排列规则为所述单胞结构沿所述航空舱段的端面圆周呈周期性排列；所述单胞结构沿所述航空舱段的径向呈周期性排列；利用有限元建模软件对当前单胞结构进行有限元建模处理，得到单胞模型；基于工况种类调整单胞模型的周期性边界条件对单胞模型进行仿真，得到单胞仿真结果；所述单胞仿真结果。

4、包括在不同虚拟节点自由度上施加单位载荷时单胞结构的位移场、应变场和应力场；基于所述单胞仿真结果，确定当前单胞结构的等效刚度矩阵；基于所述等效刚度矩阵和所述周期性排列规则，利用有限元建模软件构建航空舱段结构的整体简化模型；获取航空舱段结构中的关注细节区域；所述关注细节区域的面积小于所述单胞结构的面积；以实际工况下的宏观载荷为条件，对整体简化模型进行有限元仿真，得到航空舱段结构中关注细节区域处的广义应力向量；根据所述单胞仿真结果和所述广义应力向量，确定航空舱段结构中关注细节区域处的力学响应；所述力学响应包括位移场、应变场和应力场；基于关注细节区域处的力学响应，优化所述航空舱段结构。2.根据权利要求。

5、1所述的一种航空舱段结构降阶分析方法，其特征在于，所述航空舱段结构具有周期性特点。3.根据权利要求1所述的一种航空舱段结构降阶分析方法，其特征在于，利用有限元建模软件对当前单胞结构进行有限元建模处理，得到单胞模型，包括：利用有限元建模软件对当前单胞结构进行网格划分，得到多个网格节点；以当前单胞结构中心点为原点O，以第一周期性方向为方向，以第二周期性方向为方向，以垂直于平面的方向为方向，构建三维坐标系；确定第一正端面和第一负端面；所述第一正端面和所述第一负端面在所述第一周期性方向上平行设置；将所述第一正端面和所述第一负端面上方向坐标相等且方向坐标相等的网格节点进行配对处理；确定第二正端面和第二负。

6、端面；所述第二正端面和所述第二负端面在所述第二周期性方向上平行设置；将所述第二正端面和所述第二负端面上方向坐标相等且方向坐标相等的网格节点进行配对处理；基于板壳广义应变类型设置单胞模型中的虚拟节点自由度；所述虚拟节点自由度与板壳广义应变类型一一对应；所述广义应变包括方向拉伸、方向拉伸、面内剪切、方权利要求书1/4 页2CN 117540494 A2向弯曲、方向弯曲、扭转、方向面外剪切和方向面外剪切；获取参考点和参考直线；所述参考直线为当前单胞结构中过坐标原点且垂直于板壳中性面的任一直线；基于单胞刚体位移约束条件，设置参考点和参考直线处的参数，约束当前单胞结构的刚体位移；所述单胞刚体位移约束条件。

7、为设置参考点处方向平动、方向平动、以方向平动、方向转动、方向转动和以方向转动均为0，并向参考直线施加分布耦合约束。4.根据权利要求3所述的一种航空舱段结构降阶分析方法，其特征在于，基于工况种类调整单胞模型的周期性边界条件对单胞模型进行仿真，得到单胞仿真结果，包括：基于周期性边界条件，分别在第一工况下和第二工况下对单胞模型进行仿真，得到广义应力作用下的单胞仿真结果；基于周期性边界条件，分别在第三工况下和第四工况下对单胞模型进行仿真，得到广义弯矩作用下的单胞仿真结果；根据广义弯矩作用下的单胞仿真结果确定扰动面力场施加量；基于扰动面力场施加量和修正周期性边界条件，分别在第五工况下、第六工况下、第七工。

8、况下、第八工况下和第九工况下对单胞模型进行仿真，得到广义应力耦合作用下的单胞仿真结果。5.根据权利要求4所述的一种航空舱段结构降阶分析方法，其特征在于，所述第一工况为在方向拉伸、方向拉伸、面内剪切、方向弯曲、方向弯曲和扭转对应的虚拟节点自由度上均同时施加单位载荷；所述第二工况在所有虚拟节点自由度上分别施加单位载荷；所述第三工况为在方向弯曲对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷，同时在方向拉伸、方向弯曲、扭转和方向面外剪切对应的虚拟节点自由度上均施加0载荷；所述第四工况为在方向弯曲对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷，同时在方向拉伸、方向弯曲、扭转和方向面外剪切对应的虚拟节点自由度上均施加0载荷；所述。

9、第五工况为在方向面外剪切对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷；所述第六工况为在方向面外剪切对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷；所述第七工况为在方向面外剪切和方向面外剪切对应的虚拟节点自由度上同时施加单位载荷；所述第八工况为在方向面外剪切对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷，依次分别在方向拉伸、方向拉伸、面内剪切、方向弯曲、方向弯曲和扭转对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷；所述第九工况为在方向面外剪切对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷，依次分别权利要求书2/4 页3CN 117540494 A3在方向拉伸、方向拉伸、面内剪切、方向弯曲、方向弯曲和扭转对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷。6.根据权利要。

10、求4所述的一种航空舱段结构降阶分析方法，其特征在于，所述广义应力作用下的单胞仿真结果包括：第一工况下6个虚拟节点自由度的位移，以及第二工况下8个虚拟节点自由度的力学响应；所述广义弯矩作用下的单胞仿真结果包括：第三工况下单胞扰动位移场、单胞面力和方向弯曲对应的虚拟节点自由度上的位移，以及第四工况下单胞扰动位移场、单胞面力和方向弯曲对应的虚拟节点自由度上的位移；所述广义应力耦合作用下的单胞仿真结果包括第五工况下方向面外剪切对应的虚拟节点自由度的应变能、第六工况下方向面外剪切对应的虚拟节点自由度的应变能、第七工况下的方向面外剪切和方向面外剪切相互作用时的单胞应变能、第八工况下方向面外剪切与方向拉伸、。

11、方向拉伸、面内剪切、方向弯曲、方向弯曲和扭转中任一广义应变类型相互作用时的单胞应变能和第九工况下方向面外剪切与方向拉伸、方向拉伸、面内剪切、方向弯曲、方向弯曲和扭转中任一广义应变类型相互作用时的单胞应变能。7.根据权利要求6所述的一种航空舱段结构降阶分析方法，其特征在于，基于所述单胞仿真结果，确定当前单胞结构的等效刚度矩阵，包括：根据广义应变广义应力关系，构建初始柔度矩阵；所述初始柔度矩阵为8阶矩阵；确定所述初始柔度矩阵中的第一参数、第二参数、第三参数和第四参数；所述第一参数为初始柔度矩阵中的元素；所述第二参数为初始柔度矩阵中的元素；所述第 三参数为初始柔度矩阵 中的元素；所述第四参数为初始柔。

12、度矩阵中除所述第一参数、所述第二参数和所述第三参数之外的参数；基于所述广义应力作用下的单胞仿真结果，确定所述初始柔度矩阵中的第一参数；基于所述广义弯矩作用下的单胞仿真结果、所述第五工况下方向面外剪切对应的虚拟节点自由度的应变能和所述第六工况下方向面外剪切对应的虚拟节点自由度的应变能，确定所述初始柔度矩阵中的第二参数；基于所述第七工况下的方向面外剪切和方向面外剪切相互作用时的单胞应变能，确定所述初始柔度矩阵中的第三参数；基于第八工况下方向面外剪切与方向拉伸、方向拉伸、面内剪切、方向弯曲、方向弯曲和扭转中任一广义应变类型相互作用时的单胞应变能，以及第九工况下方向面外剪切与方向拉伸、方向拉伸、面内剪。

13、切、方向弯曲、方向弯曲和扭转中权利要求书3/4 页4CN 117540494 A4任一广义应变类型相互作用时的单胞应变能，确定所述初始柔度矩阵中的第四参数，得到柔度矩阵；确定所述柔度矩阵的逆矩阵为当前单胞结构的等效刚度矩阵。8.根据权利要求7所述的一种航空舱段结构降阶分析方法，其特征在于，根据所述单胞仿真结果和所述广义应力向量，确定航空舱段结构中关注细节区域处的力学响应，包括：确定任一广义应力类型为当前广义应力类型；确定当前广义应力类型对应的广义应力向量分量，与确定第二工况下当前广义应力类型对应虚拟节点自由度的力学响应之积，为航空舱段结构中关注细节区域处在当前广义应力类型对应虚拟节点自由度上的。

14、力学响应；所述广义应力向量包括多个广义应力向量分量；所述广义应力向量分量与所述广义应力类型一一对应。9.一种航空舱段结构降阶分析系统，其特征在于，包括：当前单胞结构确定模块，用于确定航空舱段结构中任一单胞结构为当前单胞结构；所述航空舱段结构为筒状结构；所述航空舱段结构是将多个所述单胞结构按照周期性排列规则进行排列的得到的；所述周期性排列规则为所述单胞结构沿所述航空舱段的端面圆周呈周期性排列；所述单胞结构沿所述航空舱段的径向呈周期性排列；单胞模型构建模块，用于利用有限元建模软件对当前单胞结构进行有限元建模处理，得到单胞模型；单胞仿真模块，用于基于工况种类调整单胞模型的周期性边界条件对单胞模型进行。

15、仿真，得到单胞仿真结果；所述单胞仿真结果包括在不同虚拟节点自由度上施加单位载荷时单胞结构的位移场、应变场和应力场；等效刚度矩阵确定模块，用于基于所述单胞仿真结果，确定当前单胞结构的等效刚度矩阵；整体简化模型构建模块，用于基于所述等效刚度矩阵和所述周期性排列规则，利用有限元建模软件构建航空舱段结构的整体简化模型；关注细节区域获取模块，用于获取航空舱段结构中的关注细节区域；所述关注细节区域的面积小于所述单胞结构的面积；广义应力向量确定模块，用于以实际工况下的宏观载荷为条件，对整体简化模型进行有限元仿真，得到航空舱段结构中关注细节区域处的广义应力向量；细节力学响应确定模块，用于根据所述单胞仿真结果和。

16、所述广义应力向量，确定航空舱段结构中关注细节区域处的力学响应；所述力学响应包括位移场、应变场和应力场；航空舱段结构优化模块，用于基于关注细节区域处的力学响应，优化所述航空舱段结构。10.一种电子设备，其特征在于，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行权利要求1至8中任一项所述的一种航空舱段结构降阶分析方法；所述存储器为可读存储介质。权利要求书4/4 页5CN 117540494 A5一种航空舱段结构降阶分析方法、系统及设备技术领域0001本发明涉及航空板壳结构设计技术领域，特别是涉及一种航空舱段结构降阶分析方法、系统及设备。背景技术0。

17、002航空舱段多为板壳结构，板壳结构是航空工程应用中常用的轻量化结构，随着制造、加工工艺的进步，现代航空板壳结构通常包括多种材料和复杂拓扑结构。在结构设计特别是初始设计阶段，建立包含详细材料的微观结构的全尺寸单元进行仿真往往是不经济甚至不可行的。这使得结构细节的变形响应情况难以准确获得，预测承受复杂耦合载荷作用下的结构响应也变得困难。因此，应用有显著更低自由度的均质壳模型以预测结构的整体力学响应往往是必要的。经典的板壳理论，如Kirchhoff理论和Reissner理论以及现有有限元软件中相应的壳单元已被广泛用于轻量化结构的分析和设计。值得注意的是，对于有简单力学行为的结构（例如层合板和功能梯。

18、度板）可以进行解析或半解析的板壳模型降阶，但对于具有复杂材料或拓扑结构的结构（如由加筋层合板或夹层板组成的飞机机身截面）仍然需要发展均匀化方法来计算壳体的等效截面性能。0003近年来，一些研究人员在板壳均质化领域做出了显著的贡献。Hodges等人将变分渐近梁截面分析方法扩展到板壳结构的均匀化，并在此基础上进一步发展了结构基因力学。此外，在具有三向周期性的材料渐近均匀化理论的基础上，有学者发明了相应的板壳渐进均匀化方法。然而，当考虑剪切变形和力时，具有周期单元格的板壳结构不表现出周期力学行为，并且不能直接使用周期边界条件和Hill条件进行均匀化分析。Hodges等人发明的变分渐近方法仍然主要应用。

19、于梁的截面分析。在变分渐近方法和随后发展的结构基因组力学中，也没有给出与周期性边界条件不同的保持物理一致性的边界条件。至于壳的渐近均匀化方法，徐亮等人认识到周期边界条件的不适用性，提出了一种假设应变场为线性变化的壳的渐近均匀化方法。然而，周期性结构单元的非周期力学响应是由面外剪力而不是剪切应变引起的。因此，其基于应变的均匀化方法无法处理弯曲与剪切存在耦合或两个方向上的剪切存在耦合作用的结构。0004综上，目前需要发展一套方法，可以在保持与原始三维结构实际力学行为一致的同时，实现准确而有效的板壳结构降阶和多尺度分析，进而完成优化航空舱段结构的设计流程。发明内容0005本发明的目的是提供一种航空舱。

20、段结构降阶分析方法、系统及设备，能够构建航空舱段结构的降阶模型并进行多尺度分析，在维持仿真精度的基础上降低计算量，进而提高航空舱段结构的优化效率。0006为实现上述目的，本发明提供了如下方案：0007一种航空舱段结构降阶分析方法，包括：说明书1/17 页6CN 117540494 A60008确定航空舱段结构中任一单胞结构为当前单胞结构；所述航空舱段结构为筒状结构；所述航空舱段结构是将多个所述单胞结构按照周期性排列规则进行排列的得到的；所述周期性排列规则为所述单胞结构沿所述航空舱段的端面圆周呈周期性排列；所述单胞结构沿所述航空舱段的径向呈周期性排列；0009利用有限元建模软件对当前单胞结构进行。

21、有限元建模处理，得到单胞模型；0010基于工况种类调整单胞模型的周期性边界条件对单胞模型进行仿真，得到单胞仿真结果；所述单胞仿真结果包括在不同虚拟节点自由度上施加单位载荷时单胞结构的位移场、应变场和应力场；0011基于所述单胞仿真结果，确定当前单胞结构的等效刚度矩阵；0012基于所述等效刚度矩阵和所述周期性排列规则，利用有限元建模软件构建航空舱段结构的整体简化模型；0013获取航空舱段结构中的关注细节区域；所述关注细节区域的面积小于所述单胞结构的面积；0014以实际工况下的宏观载荷为条件，对整体简化模型进行有限元仿真，得到航空舱段结构中关注细节区域处的广义应力向量；0015根据所述单胞仿真结果。

22、和所述广义应力向量，确定航空舱段结构中关注细节区域处的力学响应；所述力学响应包括位移场、应变场和应力场；0016基于关注细节区域处的力学响应，优化所述航空舱段结构。0017可选的，所述航空舱段结构具有周期性特点。0018可选的，利用有限元建模软件对当前单胞结构进行有限元建模处理，得到单胞模型，包括：0019利用有限元建模软件对当前单胞结构进行网格划分，得到多个网格节点；0020以当前单胞结构中心点为原点O，以第一周期性方向为方向，以第二周期性方向为方向，以垂直于平面的方向为方向，构建三维坐标系；0021确定第一正端面和第一负端面；所述第一正端面和所述第一负端面在所述第一周期性方向上平行设置；0。

23、022将所述第一正端面和所述第一负端面上方向坐标相等且方向坐标相等的网格节点进行配对处理；0023确定第二正端面和第二负端面；所述第二正端面和所述第二负端面在所述第二周期性方向上平行设置；0024将所述第二正端面和所述第二负端面上方向坐标相等且方向坐标相等的网格节点进行配对处理；0025基于板壳广义应变类型设置单胞模型中的虚拟节点自由度；所述虚拟节点自由度与板壳广义应变类型一一对应；所述广义应变包括方向拉伸、方向拉伸、面内剪切、方向弯曲、方向弯曲、扭转、方向面外剪切和方向面外剪切；0026获取参考点和参考直线；所述参考直线为当前单胞结构中过坐标原点且垂直于板壳中性面的任一直线；说明书2/17 。

24、页7CN 117540494 A70027基于单胞刚体位移约束条件，设置参考点和参考直线处的参数，约束当前单胞结构的刚体位移；所述单胞刚体位移约束条件为设置参考点处方向平动、方向平动、以方向平动、方向转动、方向转动和以方向转动均为0，并向参考直线施加分布耦合约束。0028可选的，基于工况种类调整单胞模型的周期性边界条件对单胞模型进行仿真，得到单胞仿真结果，包括：0029基于周期性边界条件，分别在第一工况下和第二工况下对单胞模型进行仿真，得到广义应力作用下的单胞仿真结果；0030基于周期性边界条件，分别在第三工况下和第四工况下对单胞模型进行仿真，得到广义弯矩作用下的单胞仿真结果；0031根据广义。

25、弯矩作用下的单胞仿真结果确定扰动面力场施加量；0032基于扰动面力场施加量和修正周期性边界条件，分别在第五工况下、第六工况下、第七工况下、第八工况下和第九工况下对单胞模型进行仿真，得到广义应力耦合作用下的单胞仿真结果。0033可选的，所述第一工况为在方向拉伸、方向拉伸、面内剪切、方向弯曲、方向弯曲和扭转对应的虚拟节点自由度上均同时施加单位载荷；0034所述第二工况在所有虚拟节点自由度上分别施加单位载荷；0035所述第三工况为在方向弯曲对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷，同时在方向拉伸、方向弯曲、扭转和方向面外剪切对应的虚拟节点自由度上均施加0载荷；0036所述第四工况为在方向弯曲对应的虚拟节点。

26、自由度上施加单位载荷，同时在方向拉伸、方向弯曲、扭转和方向面外剪切对应的虚拟节点自由度上均施加0载荷；0037所述第五工况为在方向面外剪切对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷；0038所述第六工况为在方向面外剪切对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷；0039所述第七工况为在方向面外剪切和方向面外剪切对应的虚拟节点自由度上同时施加单位载荷；0040所述第八工况为在方向面外剪切对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷，依次分别在方向拉伸、方向拉伸、面内剪切、方向弯曲、方向弯曲和扭转对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷；0041所述第九工况为在方向面外剪切对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷，依次分别在方向拉伸、。

27、方向拉伸、面内剪切、方向弯曲、方向弯曲和扭转对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷。0042可选的，所述广义应力作用下的单胞仿真结果包括：第一工况下6个虚拟节点自由度的位移，以及第二工况下8个虚拟节点自由度的力学响应；说明书3/17 页8CN 117540494 A80043所述广义弯矩作用下的单胞仿真结果包括：第三工况下单胞扰动位移场、单胞面力和方向弯曲对应的虚拟节点自由度上的位移，以及第四工况下单胞扰动位移场、单胞面力和方向弯曲对应的虚拟节点自由度上的位移；0044所述广义应力耦合作用下的单胞仿真结果包括第五工况下方向面外剪切对应的虚拟节点自由度的应变能、第六工况下方向面外剪切对应的虚拟节点自。

28、由度的应变能、第七工况下的方向面外剪切和方向面外剪切相互作用时的单胞应变能、第八工况下方向面外剪切与方向拉伸、方向拉伸、面内剪切、方向弯曲、方向弯曲和扭转中任一广义应变类型相互作用时的单胞应变能和第九工况下方向面外剪切与方向拉伸、方向拉伸、面内剪切、方向弯曲、方向弯曲和扭转中任一广义应变类型相互作用时的单胞应变能。0045可选的，基于所述单胞仿真结果，确定当前单胞结构的等效刚度矩阵，包括：0046根据广义应变广义应力关系，构建初始柔度矩阵；所述初始柔度矩阵为8阶矩阵；0047确定所述初始柔度矩阵中的第一参数、第二参数、第三参数和第四参数；所述第一参数为初始柔度矩阵中的元素；所述第二参数为初始柔。

29、度矩阵中的元素；所述第三参数为初始柔度矩阵中的元素；所述第四参数为初始柔度矩阵中除所述第一参数、所述第二参数和所述第三参数之外的参数；0048基于所述广义应力作用下的单胞仿真结果，确定所述初始柔度矩阵中的第一参数；0049基于所述广义弯矩作用下的单胞仿真结果、所述第五工况下方向面外剪切对应的虚拟节点自由度的应变能和所述第六工况下方向面外剪切对应的虚拟节点自由度的应变能，确定所述初始柔度矩阵中的第二参数；0050基于所述第七工况下的方向面外剪切和方向面外剪切相互作用时的单胞应变能，确定所述初始柔度矩阵中的第三参数；0051基于第八工况下方向面外剪切与方向拉伸、方向拉伸、面内剪切、方向弯曲、方向弯。

30、曲和扭转中任一广义应变类型相互作用时的单胞应变能，以及第九工况下方向面外剪切与方向拉伸、方向拉伸、面内剪切、方向弯曲、方向弯曲和扭转中任一广义应变类型相互作用时的单胞应变能，确定所述初始柔度矩阵中的第四参数，得到柔度矩阵；0052确定所述柔度矩阵的逆矩阵为当前单胞结构的等效刚度矩阵。0053可选的，根据所述单胞仿真结果和所述广义应力向量，确定航空舱段结构中关注细节区域处的力学响应，包括：说明书4/17 页9CN 117540494 A90054确定任一广义应力类型为当前广义应力类型；0055确定当前广义应力类型对应的广义应力向量分量，与确定第二工况下当前广义应力类型对应虚拟节点自由度的力学响应。

31、之积，为航空舱段结构中关注细节区域处在当前广义应力类型对应虚拟节点自由度上的力学响应；所述广义应力向量包括多个广义应力向量分量；所述广义应力向量分量与所述广义应力类型一一对应。0056一种航空舱段结构降阶分析系统，包括：0057当前单胞结构确定模块，用于确定航空舱段结构中任一单胞结构为当前单胞结构；所述航空舱段结构为筒状结构；所述航空舱段结构是将多个所述单胞结构按照周期性排列规则进行排列的得到的；所述周期性排列规则为所述单胞结构沿所述航空舱段的端面圆周呈周期性排列；所述单胞结构沿所述航空舱段的径向呈周期性排列；0058单胞模型构建模块，用于利用有限元建模软件对当前单胞结构进行有限元建模处理，得。

32、到单胞模型；0059单胞仿真模块，用于基于工况种类调整单胞模型的周期性边界条件对单胞模型进行仿真，得到单胞仿真结果；所述单胞仿真结果包括在不同虚拟节点自由度上施加单位载荷时单胞结构的位移场、应变场和应力场；0060等效刚度矩阵确定模块，用于基于所述单胞仿真结果，确定当前单胞结构的等效刚度矩阵；0061整体简化模型构建模块，用于基于所述等效刚度矩阵和所述周期性排列规则，利用有限元建模软件构建航空舱段结构的整体简化模型；0062关注细节区域获取模块，用于获取航空舱段结构中的关注细节区域；所述关注细节区域的面积小于所述单胞结构的面积；0063广义应力向量确定模块，用于以实际工况下的宏观载荷为条件，对。

33、整体简化模型进行有限元仿真，得到航空舱段结构中关注细节区域处的广义应力向量；0064细节力学响应确定模块，用于根据所述单胞仿真结果和所述广义应力向量，确定航空舱段结构中关注细节区域处的力学响应；所述力学响应包括位移场、应变场和应力场；0065一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行所述的一种航空舱段结构降阶分析方法；所述存储器为可读存储介质。0066根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：0067本发明提供的一种航空舱段结构降阶分析方法、系统及设备，通过仿真得到航空板壳结构单胞在不同载荷工况下的变形，进一步计。

34、算等效降阶板壳模型的本构矩阵（等效刚度矩阵），进而为飞机宏观板壳模型有限元分析提供降阶模型单元，将复杂拓扑、复杂材料组分的三维结构进行简化建模，处理成仅包含少量板壳单元的仿真模型，从而高效地对整机模型进行仿真分析，快速准确地预测各种复杂板壳类结构的力学响应，显著提升结构分析与仿真的效率。本发明具有良好的通用性，适用于超材料、复合材料、夹芯、加筋等多种形式的航空板壳结构，且随着进一步发展，相关方法在屈曲、振动、多场分析等方面具有很大的应用潜力。说明书5/17 页10CN 117540494 A10附图说明0068为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图。

35、作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。0069图1为本发明实施例1中航空舱段结构降阶分析方法流程图；0070图2为本发明实施例2中航空舱段结构降阶分析方法流程图；0071图3为本发明实施例2中航空舱段结构三维单胞模型示意图；0072图4为本发明实施例2中整体舱段结构全尺寸模型示意图；0073图5为本发明实施例2中舱段结构受载情况示意图；0074图6为本发明实施例2中板壳简化模型扰度仿真结果示意图；0075图7为本发明实施例2中结构简化模型与全尺寸模型分析结果对比图。具体实施。

36、方式0076下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。0077本发明的目的是提供一种航空舱段结构降阶分析方法、系统及设备，能够构建航空舱段结构的降阶模型并进行多尺度分析，在维持仿真精度的基础上降低计算量，进而提高航空舱段结构的优化效率。0078为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。0079实施例1。0080如图1所。

37、示，本实施例提供了一种航空舱段结构降阶分析方法，包括：0081步骤101：确定航空舱段结构中任一单胞结构为当前单胞结构。航空舱段结构为筒状结构。航空舱段结构是将多个单胞结构按照周期性排列规则进行排列的得到的。周期性排列规则为单胞结构沿航空舱段的端面圆周呈周期性排列。单胞结构沿航空舱段的径向呈周期性排列。航空舱段结构具有周期性特点。0082步骤102：利用有限元建模软件对当前单胞结构进行有限元建模处理，得到单胞模型。0083步骤103：基于工况种类调整单胞模型的周期性边界条件对单胞模型进行仿真，得到单胞仿真结果。单胞仿真结果包括在不同虚拟节点自由度上施加单位载荷时单胞结构的位移场、应变场和应力场。

38、。0084步骤104：基于单胞仿真结果，确定当前单胞结构的等效刚度矩阵。0085步骤105：基于等效刚度矩阵和周期性排列规则，利用有限元建模软件构建航空舱段结构的整体简化模型。0086步骤107：以实际工况下的宏观载荷为条件，对整体简化模型进行有限元仿真，得到航空舱段结构中关注细节区域处的广义应力向量。说明书6/17 页11CN 117540494 A110087步骤108：根据单胞仿真结果和广义应力向量，确定航空舱段结构中关注细节区域处的力学响应。力学响应包括位移场、应变场和应力场。0088步骤102，包括：0089步骤1021：利用有限元建模软件对当前单胞结构进行网格划分，得到多个网格节点。

39、。0090步骤1022：以当前单胞结构中心点为原点O，以第一周期性方向为方向，以第二周期性方向为方向，以垂直于平面的方向为方向，构建三维坐标系。0091步骤1023：确定第一正端面和第一负端面。第一正端面和第一负端面在第一周期性方向上平行设置。0092步骤1024：将第一正端面和第一负端面上方向坐标相等且方向坐标相等的网格节点进行配对处理。0093步骤1025：确定第二正端面和第二负端面。第二正端面和第二负端面在第二周期性方向上平行设置。0094步骤1026：将第二正端面和第二负端面上方向坐标相等且方向坐标相等的网格节点进行配对处理。0095步骤1027：基于板壳广义应变类型设置单胞模型中的虚。

40、拟节点自由度。虚拟节点自由度与板壳广义应变类型一一对应。广义应变包括方向拉伸、方向拉伸、面内剪切、方向弯曲、方向弯曲、扭转、方向面外剪切和方向面外剪切。0096步骤1028：获取参考点和参考直线。参考直线为当前单胞结构中过坐标原点且垂直于板壳中性面的任一直线。0097步骤1029：基于单胞刚体位移约束条件，设置参考点和参考直线处的参数，约束当前单胞结构的刚体位移。单胞刚体位移约束条件为设置参考点处方向平动、方向平动、以方向平动、方向转动、方向转动和以方向转动均为0，并向参考直线施加分布耦合约束。0098步骤103，包括：0099步骤1031：基于周期性边界条件，分别在第一工况下和第二工况下对单。

41、胞模型进行仿真，得到广义应力作用下的单胞仿真结果。0100步骤1032：基于周期性边界条件，分别在第三工况下和第四工况下对单胞模型进行仿真，得到广义弯矩作用下的单胞仿真结果。0101步骤1033：根据广义弯矩作用下的单胞仿真结果确定扰动面力场施加量。0102步骤1034：基于扰动面力场施加量和修正周期性边界条件，分别在第五工况下、第六工况下、第七工况下、第八工况下和第九工况下对单胞模型进行仿真，得到广义应力耦合作用下的单胞仿真结果。0103其中，第一工况为在方向拉伸、方向拉伸、面内剪切、方向弯曲、方向弯曲和扭转对应的虚拟节点自由度上均同时施加单位载荷。0104第二工况在所有虚拟节点自由度上分别。

42、施加单位载荷；说明书7/17 页12CN 117540494 A120105第三工况为在方向弯曲对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷，同时在方向拉伸、方向弯曲、扭转和方向面外剪切对应的虚拟节点自由度上均施加0载荷。0106第四工况为在方向弯曲对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷，同时在方向拉伸、方向弯曲、扭转和方向面外剪切对应的虚拟节点自由度上均施加0载荷。0107第五工况为在方向面外剪切对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷。0108第六工况为在方向面外剪切对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷。0109第七工况为在方向面外剪切和方向面外剪切对应的虚拟节点自由度上同时施加单位载荷。0110第八工况为在方。

43、向面外剪切对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷，依次分别在方向拉伸、方向拉伸、面内剪切、方向弯曲、方向弯曲和扭转对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷。0111第九工况为在方向面外剪切对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷，依次分别在方向拉伸、方向拉伸、面内剪切、方向弯曲、方向弯曲和扭转对应的虚拟节点自由度上施加单位载荷。0112具体的，广义应力作用下的单胞仿真结果包括：第一工况下6个虚拟节点自由度的位移，以及第二工况下8个虚拟节点自由度的力学响应。0113广义弯矩作用下的单胞仿真结果包括：第三工况下单胞扰动位移场、单胞面力和方向弯曲对应的虚拟节点自由度上的位移，以及第四工况下单胞扰动位移场、单胞面力和。

44、方向弯曲对应的虚拟节点自由度上的位移。0114广义应力耦合作用下的单胞仿真结果包括第五工况下方向面外剪切对应的虚拟节点自由度的应变能、第六工况下方向面外剪切对应的虚拟节点自由度的应变能、第七工况下的方向面外剪切和方向面外剪切相互作用时的单胞应变能、第八工况下方向面外剪切与方向拉伸、方向拉伸、面内剪切、方向弯曲、方向弯曲和扭转中任一广义应变类型相互作用时的单胞应变能和第九工况下方向面外剪切与方向拉伸、方向拉伸、面内剪切、方向弯曲、方向弯曲和扭转中任一广义应变类型相互作用时的单胞应变能。0115步骤104，包括：0116步骤1041：根据广义应变广义应力关系，构建初始柔度矩阵。初始柔度矩阵为8阶矩。

45、阵。0117步骤1042：确定初始柔度矩阵中的第一参数、第二参数、第三参数和第四参数。第一参数为初始柔度矩阵中的元素；第二参数为初始柔度矩阵说明书8/17 页13CN 117540494 A13中 的 元 素；第 三 参 数 为 初 始 柔 度 矩 阵 中 的 元 素；第四参数为初始柔度矩阵中除第一参数、第二参数和第三参数之外的参数。0118步骤1043：基于广义应力作用下的单胞仿真结果，确定初始柔度矩阵中的第一参数。0119步骤1044：基于广义弯矩作用下的单胞仿真结果、第五工况下方向面外剪切对应的虚拟节点自由度的应变能和第六工况下方向面外剪切对应的虚拟节点自由度的应变能，确定初始柔度矩阵中。

46、的第二参数。0120步骤1045：基于第七工况下的方向面外剪切和方向面外剪切相互作用时的单胞应变能，确定初始柔度矩阵中的第三参数。0121步骤1046：基于第八工况下方向面外剪切与方向拉伸、方向拉伸、面内剪切、方向弯曲、方向弯曲和扭转中任一广义应变类型相互作用时的单胞应变能，以及第九工况下方向面外剪切与方向拉伸、方向拉伸、面内剪切、方向弯曲、方向弯曲和扭转中任一广义应变类型相互作用时的单胞应变能，确定初始柔度矩阵中的第四参数，得到柔度矩阵。0122步骤1047：确定柔度矩阵的逆矩阵为当前单胞结构的等效刚度矩阵。0123步骤108，包括：0124步骤1081：确定任一广义应力类型为当前广义应力类。

47、型。0125步骤1082：确定当前广义应力类型对应的广义应力向量分量，与确定第二工况下当前广义应力类型对应虚拟节点自由度的力学响应之积，为航空舱段结构中关注细节区域处在当前广义应力类型对应虚拟节点自由度上的力学响应。广义应力向量包括多个广义应力向量分量。广义应力向量分量与广义应力类型一一对应。0126实施例2。0127如图2，所示，本实施例提供了一种基于三维单胞的航空舱段结构优化方法如下。0128步骤1.航空三维板壳结构单胞建模。0129如图3，进行分析对象的三维结构单胞建模，具体步骤如下。0130步骤1.1根据板壳的内部结构、材料布局和周期性特点，选择适当单胞进行建模，划分有限元网格，航空舱。

48、段结构如图4。0131步骤1.2对单胞模型的两个周期性方向上的端面网格节点进行节点配对。0132步骤1.3设置与板壳广义应变相对应的虚拟节点自由度。0133步骤1.4约束单胞的刚体位移。约束单胞刚体位移不限于将参考点与过坐标原点的线耦合，通过与其他点耦合，并令参考点位移等于单胞此处刚体平动及转动大小亦可实现刚体约束。0134步骤2.单胞多工况变形仿真。0135对多种典型工况下的结构单胞响应进行仿真计算，为等效板壳属性计算和结构细节应力恢复奠定基础，具体步骤如下。说明书9/17 页14CN 117540494 A140136步骤2.1仿真计算包含拉、弯、扭、面内剪切在内的6个单位广义应力作用工况。

49、下的板壳单胞的应力、应变响应。0137步骤2.1.1基于方程约束施加周期性边界条件。0138步骤2.1.2施加各方向单位拉、弯、扭、面内剪切载荷，进行有限元计算。0139步骤2.2仿真计算用于计算扰动场的包含额外约束的广义弯矩作用下的2个工况下的板壳单胞的应力、应变响应。0140步骤2.2.1基于方程约束施加周期性边界条件。0141步骤2.2.2通过约束虚拟节点自由度的方式施加额外广义应变约束。0142步骤2.2.3施加各方向单位弯曲载荷，进行有限元计算。0143步骤2.3仿真计算2个面外剪切以及13个面外剪切与其他广义应力耦合作用工况下的板壳单胞的应力、应变响应。0144步骤2.3.1基于方。

50、程约束施加包含扰动场修正的周期性边界条件。0145步骤2.3.2在周期性边界面上施加面力扰动场。0146步骤2.3.3施加各方向单位剪切载荷，进行有限元计算。0147步骤2.3.4施加两个方向剪切耦合作用的载荷，进行有限元计算。0148步骤2.3.5施加剪切与其他广义应力耦合作用的载荷，进行有限元计算。0149步骤3.等效板壳属性计算。0150计算结构等效板壳刚度矩阵，具体步骤如下。0151步骤3.1基于步骤2.1.2所得有限元仿真结果，计算柔度矩阵左上角的6*6阶薄板柔度矩阵系数。柔度矩阵左上角的6*6阶矩阵柔度系数的求解方式不限于基于应力应变关系式计算，通过类似步骤3.2的应变能计算方式亦。