大展弦比复合材料机翼气动弹性优化

使用遗传/ 敏度混合优化算法对大展弦比复合材料机翼进行气动弹性优化设计研究。在满足强度、位移、发散速度和颤振速度等约束条件的前提下, 以机翼各部件复合材料铺层的厚度为设计变量, 对结构进行重量最小化设计。研究表明: 弯曲变形严重影响最终的优化重量, 是设计大展弦比复合材料机翼结构时应该重点考虑的问题; 按照应力设计准则对这类结构进行设计, 往往很难满足弯曲变形的要求; 使用遗传/ 敏度混合优化算法对大展弦比复合材料机翼进行气动弹性优化设计能够在可以接受的计算耗费下获得满意的结果。      

复合材料壁板铺层参数对大展弦比机翼气动弹性优化的影响

开展了大展弦比复合材料机翼气动弹性综合优化设计研究,以复合材料层合板铺层厚度为设计变量,以多种气动弹性约束与强度/应变约束为限制条件对结构进行优化设计,从铺层比例和铺层非均衡两方面分析了蒙皮铺层参数的影响。研究表明: 在满足综合约束的条件下,随着0°铺层比例的增加,翼尖变形略微减小,颤振速度略有下降,副翼效率变化不大; 蒙皮铺层非均衡程度主要影响机翼静气动弹性能,随着蒙皮非均衡引起的机翼刚轴绕翼根向前缘逐渐偏转,翼尖垂直变形变化不明显,但翼尖负扭转变形的绝对值加大,副翼效率下降。     

航空复合材料翼面结构气动伺服弹性剪裁

本文对航空复合材料翼面结构进行了带主动控制系统、满足颤振速度及工艺尺寸要求的最小重量设计.采用亚音速偶极子格网法计算非定常气动力,用状态空间法计算翼面颤振速度,利用最佳控制理论进行最优控制设计,结构固有振动用谱变换Lanczos方法求得.机翼结构用有限元进行模拟,共采用金属及复合材料的杆元、受剪板元、正应力四边形及三角板元等,设计变量取为腹板板厚、杆元截面积及复合材料各定向铺层的厚度,目标函数取为结构重量,约束函数取为闭环颤振速度及工艺尺寸要求,优化问题用可行方向法求解,其中约束函数对设计变量的导数用差分法进行计算.文中对一个实验用机翼进行了颤振主动控制设计,对一个复合材料机翼进行了气动伺服弹性剪裁,证明本方法能充分考虑结构与控制系统的作用,具有很好的收敛性.     

复合材料支撑机翼撑杆位置与结构综合优化设计

针对复合材料支撑机翼,发展了一种撑杆位置和结构综合优化设计的方法。在两种严重设计载荷状态下,考虑气动弹性效应和复合材料铺层结构的不确定性,以结构质量最小化为目标,以翼尖垂直变形、翼尖扭角、撑杆屈曲稳定性、颤振速度和强度要求为约束,在一个优化过程中实现了撑杆位置和结构参数的同步优化设计和鲁棒优化设计。结果表明,翼尖垂直变形和颤振速度要求对于撑杆位置影响明显,最优的撑杆展向位置都靠近翼根一侧,同时撑杆的总体稳定性成为同步优化设计的关键约束。鲁棒优化设计得到的撑杆位置和结构参数的最优组合对铺层结构的不确定性摄动具有良好的抗干扰性,鲁棒优化得到的最优撑杆位置会随着设计变量摄动范围而变化,翼尖垂直变形成为鲁棒优化设计的关键约束。     

基于几何因子的复合材料气动弹性剪裁设计

实现了基于几何因子的复合材料层合板建模,解决了几何因子与Natran的参数输入问题,并根据工艺约束中的最小铺层比例对几何因子可行空间进行了推导补充。在此基础上,提出了一种基于几何因子和Nastran的复合材料气动弹性剪裁优化设计方法。首先以总厚度和几何因子作为设计变量以及以Nastran作为求解器,以强度、刚度、颤振和发散速度以及几何因子相关性约束作为约束条件进行结构寻优,得到最优的铺层总厚度和几何因子。其次,以最优几何因子作为目标,进行铺层结构逆问题求解,约束条件为复合材料铺层工艺约束。因几何因子为铺层厚度和铺层顺序的表达式,与传统的多级优化相比,以几何因子作为设计变量可以避免铺层厚度和铺层顺序的解耦,进而获得更大的设计空间,且得到的铺层结构可以满足工艺约束。最后,对一矩形悬臂复合材料层合板进行剪裁设计,使得铺层结构满足气动弹性约束且质量最小。结果显示,运用该优化方法可以得到质量更小且满足工艺约束的铺层结构。     

考虑气动弹性约束的复合材料支撑机翼优化设计

基于遗传-敏度混合算法对复合材料支撑机翼开展考虑气动弹性约束的优化设计,并与常规机翼构型进行比较。在严重载荷状态下,以结构质量最小化为目标,以翼尖变形、屈曲稳定性和颤振速度为约束,设计复合材料机翼铺层和支撑结构参数,并研究不同支撑点位置对于优化设计结果的影响。结果表明,复合材料支撑机翼构型能大幅减少弯曲方向上的铺层材料,有明显的减重优势。支撑点位置对于结构质量、屈曲稳定性和扭转刚度分布有较大影响,支撑结构的屈曲破坏在复合材料支撑机翼的结构设计中要引起重视。     

单轴力多约束条件下复合材料单向加筋壁板结构效率分析方法

通过建立复合材料单向加筋壁板单元的基本力学假设和计算分析模型,提出了一种多约束条件下进行快速结构效率分析的方法,并利用该方法对典型的复合材料单向加筋壁板进行了结构效率分析和优化,得到了其结构效率随各设计参数的变化趋势和相对最优结构参数。本文方法综合考虑筋条总体稳定性、局部稳定性、结构静强度约束及其之间相互影响,并在基本假设的基础上将复合材料结构离散变量转化为独立的连续设计变量,使得结构力学性能分析和优化分析大为简化,对本文方法所得结果与试验及有限元分析所得结果做了比较,吻合得较好。研究结果为复合材料单向加筋壁板的设计提供了直接参考,具有较好的实际工程应用和参考价值。      

基于弯扭耦合理论的颤振频率计算方法

首先,该文基于颤振研究的频率重合理论,对两组悬臂壳体结构进行了弯扭耦合模态的颤振规律研究,提出一种简便的颤振频率预估方法,并进行了两组模型校检。第一组模型控制均质梯形薄板掠角作为单一变量,对颤振模态与耦合模态进行了规律性研究,并对颤振频率计算方法进行试算,为带掠角的梯形翼颤振参数初选提供了参考。第二组模型以单向铺层结构的矩形悬臂薄板的铺层角度作为基本变量,给出颤振方向性对颤振参数的影响规律,同时也检验了复合材料薄板的颤振频率预算结果,为复合材料机翼设计提供相应参考依据。     

含静、动力约束的复合材料结构的优化设计

本文利用序列二次规划准解析法,解决了含几何角度变量和厚度变量的复合材料层板的结构优化问题.设计约束包括结构的位移约束,应力约束和固有频率约束.基于虚功原理,对有限元分析中刚度矩阵和几何角度变量成非线性关系的情况,给出了统一的应力,位移约束的灵敏度计算公式,对固有频率的导数计算也作了推导.计算结果表明,序列二次规划准解析法对于解决含静,动力约束的复合材料层板的优化设计问题,具有较高的计算效率;并且,在复合材料层板的优化设计中增加何几角度寻优(即层板直三维空间的最佳几何位置)能获得更为新意的减重效果.      

含区间不确定性参数的机翼气动弹性优化

提出了一种具有区间不确定性的机翼颤振优化方法.采用拉丁超立方方法建立仿真试验表,基于MSC.Nastran平台进行颤振仿真分析.获得仿真数据之后,应用Kriging方法构造了包含区间不确定性参数的机翼颤振分析代理模型,并进行有效性检验.基于建立的代理模型并按照区间序数关系,将不确定性优化目标和约束条件转化为确定性表达形式,从面形成区间不确定性的结构优化设计方法.该方法将区间法优化和代理模型相结合,同时综合有限元仿真和遗传算法的优点,计算效率较高且应用范围较广.以某复杂机翼结构为例进行了含区间不确定性的颤振优化计算.分析结果表明了所提方法的正确性和可行性.     

整体成型复合材料模型机翼设计方案优选与验证

采用多级优化方法,对给定外形和尺寸的复合材料模型机翼进行了设计方案优选。首先基于单因素的效能评估和灰关联度的综合效能评估对机翼进行了结构布局设计,然后采用有限元法对工字梁机翼进行结构细节优化与铺层设计,最后采用基于真空袋法的整体成型工艺制备了蒙皮-夹芯、蒙皮-加筋、C型梁和工字梁等4种典型结构的复合材料模型机翼,并利用三点弯曲试验对优选设计方案进行了验证。优化结果表明：工字梁机翼结构效能水平最高,其次是后C型梁机翼,结构效能最差的是蒙皮-腹板机翼,梁凸缘采用等厚度变宽度可获得近似等强度梁结构。试验结果验证了优化设计方案的有效性。     

复合材料机翼整体成型技术研究

对给定外型与尺寸的整体成型复合材料机翼进行了设计、 制备及力学性能实验研究。采用有限元分析软件, 对空心复合材料机翼进行静力学分析, 得到了承载效率与机翼几何尺寸的关系, 并确定了最优结构尺寸与复合材料纤维铺层厚度。采用石蜡芯模辅助气囊法成型技术, 制备了整体成型复合材料机翼, 并进行了三点弯曲实验测定, 分析了其破坏机制。三点弯曲实验研究发现, 整体成型复合材料机翼的破坏模式为上蒙皮的局部屈曲失效, 屈曲后仍有一定的承载能力。      

基于分布式计算的复合材料机翼优化设计

将遗传算法与高精度的通用有限元分析软件相结合, 并将其应用于复合材料机翼满足气动弹性要求的优化设计中。为了提高采用遗传算法的复合材料机翼优化设计的效率, 探讨了将分布式计算与遗传算法进行集成, 形成了基于分布式计算和遗传算法的复合材料机翼优化设计方法, 并应用该方法解决某大展弦比复合材料机翼副翼和舵面操纵反效问题。计算结果表明, 该方法可用于解决工程上复杂结构优化问题。      

Temperature-constrained topology optimization of thermo-mechanical coupled problems

Temperature-constrained topology optimization for thermo-mechanical coupled problems under a design-dependent temperature field considering the thermal expansion effect remains an open problem. A temperature-constrained topology optimization method is proposed for thermo-mechanical coupled problems. In this article, the temperature values at the heat sources are constrained. The numerical results reveal that the temperature constraints play an important role in topology optimization of thermo-mechanical coupled problems. The optimized structure obtained by the presented method not only has certain strength but also decreases the temperature significantly compared with structures obtained by other methods without considering temperature constraints. The proposed method is applied to the design of the cooling system of a battery package. Numerical examples verify the efficiency of the presented method.     

采用等效刚度有限元模型的复合材料机翼颤振分析

采用等效刚度方法,研究了一种适用于机翼初步设计阶段的动力学和颤振分析的结构有限元模型。该方法首先计算不同布局形式的加筋壁板的刚度矩阵,然后将其赋予与加筋壁板平面形状相同的光板（等效板）上,使加筋壁板和等效板具相同的力学性能。该方法的优点是避免了加强筋的有限元建模,从而使有限元模型的复杂程度大大降低,但同时等效刚度结构有限元模型仍能反映机翼加筋壁板的结构特性。以某客机概念方案的机翼为例,建立了反映实际结构详细有限元及其等效刚度有限元模型。计算结果和对比分析表明,两种模型的固有频率、振动模态和颤振分析结果吻合得很好,从而验证了等效刚度方法在机翼结构动力学和颤振分析方面的准确性。由于该方法具有简单快速和准确的优点,可用于机翼初步设计阶段对颤振特性的评估。