一種考慮氣動(dòng)彈性約束的復(fù)合材料機(jī)翼多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種考慮氣動(dòng)彈性約束的復(fù)合材料機(jī)翼多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括下面步驟：(1)建立有限元模型，并對該模型分析；(2)重量優(yōu)化；(3)陣風(fēng)響應(yīng)優(yōu)化；(4)第二次重量優(yōu)化。本發(fā)明同時(shí)考慮強(qiáng)度、剛度、氣動(dòng)彈性約束，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)重量與陣風(fēng)響應(yīng)的多目標(biāo)優(yōu)化，避免了傳統(tǒng)復(fù)合材料機(jī)翼優(yōu)化方法在進(jìn)行結(jié)構(gòu)重量優(yōu)化的同時(shí)增大陣風(fēng)響應(yīng)振幅的問題。在此優(yōu)化過程中，在陣風(fēng)響應(yīng)優(yōu)化階段僅以復(fù)合材料鋪層方向?yàn)樵O(shè)計(jì)變量，使得在不改變機(jī)翼重量的情況下滿足陣風(fēng)響應(yīng)設(shè)計(jì)要求成為可能。
【專利說明】一種考慮氣動(dòng)彈性約束的復(fù)合材料機(jī)翼多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種復(fù)合材料機(jī)翼優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，更具體地說，是一種考慮結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)彈性約束的復(fù)合材料機(jī)翼多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重是飛行器設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。復(fù)合材料是兩種或多種不同性質(zhì)的材料通過物理或者化學(xué)方法制成的新型材料。它具有比強(qiáng)度、比剛度高、熱膨脹系數(shù)小、耐疲勞、抗腐蝕、制造周期短和維修方便等優(yōu)點(diǎn)。在加工成型過程中可以通過合理鋪層，提高飛機(jī)強(qiáng)度、剛度，從而減小飛機(jī)重量。在滿足強(qiáng)度、剛度的同時(shí)，可以進(jìn)行復(fù)合材料氣動(dòng)彈性剪裁，即通過調(diào)整復(fù)合材料的剛度方向及變形耦合來控制機(jī)翼結(jié)構(gòu)的靜和動(dòng)的氣動(dòng)彈性變形，從而提高飛機(jī)性能。
[0003]顫振是結(jié)構(gòu)彈性、慣性力與非定常氣動(dòng)力耦合引發(fā)的氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定。顫振會(huì)給飛機(jī)帶來巨大的風(fēng)險(xiǎn)，在瞬間造成機(jī)翼破壞。在現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)中，顫振約束是機(jī)翼設(shè)計(jì)的重要設(shè)計(jì)約束之一。飛機(jī)的臨界顫振速度與機(jī)翼的重量分布、剛度分配等相關(guān)，而復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性，使得通過調(diào)整復(fù)合材料鋪層滿足飛機(jī)顫振約束成為可能。
[0004]飛行器在空中飛行時(shí)不可避免地會(huì)受到大氣擾動(dòng)的影響。由離散陣風(fēng)或連續(xù)陣風(fēng)產(chǎn)生的附加氣動(dòng)力，引起飛行器的剛體運(yùn)動(dòng)和彈性振動(dòng)。飛機(jī)在高速巡航、轉(zhuǎn)彎飛行中常受到強(qiáng)烈陣風(fēng)干擾，不僅使飛機(jī)產(chǎn)生不期望的附加過載，而且容易振動(dòng)、顛簸，影響飛機(jī)的操縱性、穩(wěn)定性，使乘坐品質(zhì)下降。因此，在進(jìn)行機(jī)翼優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，將陣風(fēng)響應(yīng)作為目標(biāo)函數(shù)具有重要意義。
[0005]以往的復(fù)合材料機(jī)翼優(yōu)化設(shè)計(jì)通常僅以結(jié)構(gòu)重量為目標(biāo)函數(shù)，未同時(shí)考慮陣風(fēng)響應(yīng)，導(dǎo)致最小重量和最小陣風(fēng)效應(yīng)振幅兩個(gè)目標(biāo)相矛盾。因此為滿足陣風(fēng)響應(yīng)設(shè)計(jì)要求，往往仍需采取增加結(jié)構(gòu)重量手段減小陣風(fēng)響應(yīng)最大幅值，影響了飛機(jī)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法未同時(shí)考慮最小重量和最小陣風(fēng)響應(yīng)兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的缺點(diǎn)，提供一種同時(shí)考慮重量和陣風(fēng)響應(yīng)的復(fù)合材料機(jī)翼多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過采用有限元技術(shù)，實(shí)現(xiàn)定量分析，快速有效，便于技術(shù)人員掌握。
[0007]本發(fā)明提供的考慮考慮氣動(dòng)彈性約束的復(fù)合材料機(jī)翼多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:
[0008](I)建立有限元模型，計(jì)算初始應(yīng)力、應(yīng)變、顫振速度、顫振頻率、陣風(fēng)響應(yīng)，并以此為比較標(biāo)準(zhǔn)；
[0009](2)重量優(yōu)化:將復(fù)合材料的鋪層厚度和鋪層方向作為設(shè)計(jì)變量，以滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、顫振條件為約束條件，以結(jié)構(gòu)重量為目標(biāo)函數(shù)。通過優(yōu)化計(jì)算，可得到一個(gè)基于上述約束條件的最小重量機(jī)翼；[0010](3)陣風(fēng)響應(yīng)優(yōu)化:將復(fù)合材料的鋪層方向作為設(shè)計(jì)變量，采用步驟(2)重量優(yōu)化中設(shè)計(jì)的鋪層厚度，以滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、顫振條件為約束條件，將陣風(fēng)響應(yīng)設(shè)為目標(biāo)函數(shù)。通過優(yōu)化計(jì)算，可得到一個(gè)基于上述約束條件下的最小陣風(fēng)響應(yīng)機(jī)翼；如果該機(jī)翼滿足陣風(fēng)響應(yīng)設(shè)計(jì)要求，則優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)束；否則轉(zhuǎn)步驟(4)。
[0011](4)第二次重量優(yōu)化:將復(fù)合材料的鋪層厚度設(shè)為設(shè)計(jì)變量，采用步驟(3)中設(shè)計(jì)的鋪層方向，以滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、顫振、陣風(fēng)響應(yīng)為約束條件，將結(jié)構(gòu)重量設(shè)為目標(biāo)函數(shù)。通過優(yōu)化計(jì)算，可得到一個(gè)基于上述約束條件的最小重量機(jī)翼，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)束；
[0012]本發(fā)明提供的方法與已有復(fù)合材料機(jī)翼優(yōu)化設(shè)計(jì)方法相比，優(yōu)點(diǎn)在于:
[0013](I)同時(shí)考慮了機(jī)翼重量和陣風(fēng)響應(yīng)兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)，而傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法僅考慮了重量或陣風(fēng)響應(yīng)單一目標(biāo)函數(shù)。
[0014](2)在陣風(fēng)響應(yīng)優(yōu)化階段，僅以復(fù)合材料的鋪層方向作為設(shè)計(jì)變量。這種分步優(yōu)化方法使得在不改變機(jī)翼重量的情況下，最大限度地發(fā)揮復(fù)合材料鋪層優(yōu)勢，僅通過優(yōu)化鋪層方向便可滿足陣風(fēng)響應(yīng)設(shè)計(jì)要求。
[0015](3)如果僅通過更改鋪層方向無法實(shí)現(xiàn)陣風(fēng)響應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，可選擇考慮陣風(fēng)響應(yīng)要求的進(jìn)一步重量優(yōu)化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的流程圖；
[0017]圖2是本發(fā)明優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例中重量優(yōu)化的收斂過程圖；
[0018]圖3為本發(fā)明優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例中陣風(fēng)響應(yīng)優(yōu)化的收斂過程圖；
[0019]圖4為本發(fā)明優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例中第二次重量優(yōu)化的收斂過程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0021]本發(fā)明提供的基于氣動(dòng)彈性約束的復(fù)合材料機(jī)翼多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，【具體實(shí)施方式】包括三個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)階段(重量優(yōu)化、陣風(fēng)響應(yīng)優(yōu)化和第二次重量優(yōu)化)，4個(gè)小步驟，結(jié)合圖1，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0022]第一步，建立有限元模型與初始模型分析:
[0023]建立復(fù)合材料機(jī)翼的初始幾何模型:首先在三維軟件如CATIA中建立初始幾何模型。在Patran中設(shè)置好導(dǎo)入單位,如mm,然后將初始幾何模型導(dǎo)入到Patran中。在此基礎(chǔ)上將導(dǎo)入的初始幾何模型中多余的線和面去除，并添加必須的其他幾何元素，從而建立好適用于有限元分析的幾何模型。
[0024]劃分網(wǎng)格:先布置種子，再劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格大部分劃分為四邊形。種子布置時(shí)，應(yīng)使得通過種子劃分的四邊形網(wǎng)格單元大致呈正方形。網(wǎng)格劃分完成后應(yīng)將重復(fù)結(jié)點(diǎn)消除，通過檢查自由邊查看是否還有重合結(jié)點(diǎn)尚未消除。如若有重合結(jié)點(diǎn)，則可通過在Patran中設(shè)置“Equivalencing Tolerance”選項(xiàng)消除所有重合結(jié)點(diǎn)。
[0025]設(shè)置材料屬性:直接在Patran中將所用材料屬性輸入即可，注意與初始導(dǎo)入的量綱保持一致。
[0026]設(shè)置單元屬性:其中蒙皮、翼梁腹板、翼肋腹板采用CQUAD4單元，翼梁緣條、桁條采用CROD單元。蒙皮單元沿翼展方向分為多段，分別設(shè)置其復(fù)合材料鋪層的方向和厚度。發(fā)動(dòng)機(jī)和副翼、襟翼都可設(shè)為集中重量，采用標(biāo)量重量單元CMASS2。
[0027]設(shè)置約束和載荷:對于不同的機(jī)翼結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)實(shí)際情況，采用不同邊界條件，對相應(yīng)結(jié)點(diǎn)的自由度進(jìn)行單點(diǎn)約束和多點(diǎn)約束(采用MPC單元)。在設(shè)置載荷時(shí)，將機(jī)翼重量和燃油重量同時(shí)賦給機(jī)翼。
[0028]建立空氣動(dòng)力學(xué)模型:空氣動(dòng)力學(xué)模型可在.bdf文件中設(shè)置控制卡片得到。其中CAEROl卡用于定義空氣動(dòng)力學(xué)單元。由劃分過程可知，各空氣動(dòng)力學(xué)單元均為梯形，且兩平行邊與來流方向一致。對于具有折線外形機(jī)翼來說，需將升力面劃分為多個(gè)部分，每個(gè)部分再劃分為多個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)單元。
[0029]結(jié)構(gòu)和空氣動(dòng)力學(xué)模型之間的相互連接:由于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和空氣動(dòng)力學(xué)網(wǎng)格是相互獨(dú)立的，所以它們之間需要進(jìn)行力與位移的樣條差值，樣條差值在.bdf文件中設(shè)置控制卡片SPLINE2得到。 [0030]顫振計(jì)算通過如下Nastran輸入卡輸入:AER0卡用于指定空氣動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)系、氣流速度、參考空氣密度、參考弦長以及對稱性。MKAR02卡用于指定折合頻率和馬赫數(shù)，用來計(jì)算氣動(dòng)力矩陣。FLUTTER卡用于指定顫振分析方法(用“英國”方法，即pk法，其基本出發(fā)點(diǎn)是認(rèn)為在顫振臨界附近，自由振動(dòng)雖然不是簡諧，但接近簡諧，所以在計(jì)算氣動(dòng)力時(shí)，仍使用簡諧振動(dòng)機(jī)翼的非定長氣動(dòng)力表達(dá)式。)和與之對應(yīng)的FLFACT卡中指定的密度比、馬赫數(shù)、折合頻率等。
[0031]陣風(fēng)響應(yīng)可通過在結(jié)構(gòu)和空氣動(dòng)力學(xué)模型建立完成后，在.bdf文件中設(shè)置⑶ST，DLOAD和TL0AD2卡得到。
[0032]陣風(fēng)響應(yīng)速度分布采用(Ι-cos)型陣風(fēng)模型，表達(dá)式如下:
[0033]
【權(quán)利要求】
1.一種考慮氣動(dòng)彈性約束的復(fù)合材料機(jī)翼多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)建立有限元模型，計(jì)算出初始應(yīng)力、應(yīng)變、顫振速度、顫振頻率和陣風(fēng)響應(yīng)； (2)重量優(yōu)化:將復(fù)合材料的鋪層厚度和方向設(shè)為設(shè)計(jì)變量，以滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、顫振條件為約束條件，以結(jié)構(gòu)重量為目標(biāo)函數(shù)；通過優(yōu)化計(jì)算，得到一個(gè)基于上述約束條件的最小重量機(jī)翼； (3)陣風(fēng)響應(yīng)優(yōu)化:將復(fù)合材料的鋪層方向設(shè)為設(shè)計(jì)變量，鋪層厚度為步驟(2)中設(shè)計(jì)的鋪層厚度，以滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、顫振條件為約束條件，將陣風(fēng)響應(yīng)設(shè)為目標(biāo)函數(shù)；通過優(yōu)化計(jì)算，得到一個(gè)基于上述約束條件的最小陣風(fēng)響應(yīng)機(jī)翼；如果所述的最小陣風(fēng)響應(yīng)機(jī)翼滿足陣風(fēng)響應(yīng)設(shè)計(jì)要求，則結(jié)束優(yōu)化設(shè)計(jì)；否則轉(zhuǎn)步驟(4)； (4)第二次重量優(yōu)化:如若上述步驟(3)不能滿足陣風(fēng)響應(yīng)設(shè)計(jì)要求，將復(fù)合材料的鋪層厚度設(shè)為設(shè)計(jì)變量，鋪層方向?yàn)椴襟E(3)中設(shè)計(jì)的鋪層方向，以滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、顫振、陣風(fēng)響應(yīng)為約束條件，將結(jié)構(gòu)重量設(shè)為目標(biāo)函數(shù)；通過優(yōu)化計(jì)算，得到一個(gè)基于上述約束的最小重量機(jī)翼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮氣動(dòng)彈性約束的復(fù)合材料機(jī)翼多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述的有限元模型包括幾何模型和與之對應(yīng)的空氣動(dòng)力學(xué)模型；具體內(nèi)容包括劃分網(wǎng)格、設(shè)置材料屬性、設(shè)置單元屬性、設(shè)置約束和載荷；其中，設(shè)置單元屬性中，蒙皮單元沿翼展方向分為多段，分別設(shè)置其復(fù)合材料鋪層的方向和厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮氣動(dòng)彈性約束的復(fù)合材料機(jī)翼多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于:步驟(2)中所述的重量優(yōu)化，重量優(yōu)化的計(jì)算表達(dá)式如下:
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種考慮氣動(dòng)彈性約束的復(fù)合材料機(jī)翼多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于:陣風(fēng)響應(yīng)優(yōu)化計(jì)算表達(dá)式如下:
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種考慮氣動(dòng)彈性約束的復(fù)合材料機(jī)翼多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述的第二次重量優(yōu)化計(jì)算表達(dá)式如下:
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103646131SQ201310607041
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月26日
【發(fā)明者】李道春, 向錦武, 趙仕偉 申請人:北京航空航天大學(xué)