考慮屈曲約束與鋪層順序的復(fù)合材料機翼壁板鋪層確定方法
【專利摘要】本發(fā)明的優(yōu)點包括：1）使得各項性能指標靠近約束邊界，提高了結(jié)構(gòu)材料利用效率；2）以屈曲臨界載荷因子最大為目標，同時滿足多種約束條件，并得到層合板鋪層優(yōu)化順序，為實際工程應(yīng)用提供初步參考。本發(fā)明的復(fù)合材料機翼壁板鋪層確定方法，包括：A）建立結(jié)構(gòu)模型和氣動模型；B）明確優(yōu)化設(shè)計的對象；C）確定機翼結(jié)構(gòu)中的目標函數(shù)；D)在所述步驟C）之后，施加約束條件（步驟103）；E）進行約束調(diào)節(jié)的分析（步驟104）；F）以步驟D)和E）這兩個步驟的結(jié)果作為輸入，執(zhí)行混合優(yōu)化處理（步驟105）。
【專利說明】考慮屈曲約束與鋪層順序的復(fù)合材料機翼壁板鋪層確定方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種考慮屈曲約束與鋪層順序的復(fù)合材料機翼壁板鋪層確定方法， 屬于航空飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計算法領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)前，新一代大型民用飛機大量應(yīng)用復(fù)合材料已成為設(shè)計趨勢。為了充分利用復(fù) 合材料的優(yōu)異性能，氣動彈性剪裁成為必不可少的設(shè)計手段。在民用大展弦比復(fù)合材料機 翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，由于復(fù)合材料各項異性的特性，設(shè)計參數(shù)對復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)的力學(xué) 性能的影響更加顯著，受到廣泛關(guān)注。
[0003] 在復(fù)合材料機翼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，復(fù)合材料壁板的各鋪設(shè)角度的鋪層厚度是重要的設(shè) 計參數(shù)，通過對其進行調(diào)節(jié)，可以達到對機翼氣動彈性性能進行優(yōu)化的效果。在飛行過程中 機翼為飛機提供向上的升力以克服重力，分析機翼結(jié)構(gòu)各個構(gòu)件的承載特點可知，為平衡 氣動載荷引起的彎曲力矩，機翼上翼面壁板承受壓力載荷，下壁板承受拉力載荷；從結(jié)構(gòu)發(fā) 生屈曲失穩(wěn)的機理出發(fā)可知，壁板結(jié)構(gòu)在承受壓力（剪切）載荷情況下可能發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象， 所以，在飛行包線范圍內(nèi)，機翼上壁板是發(fā)生失穩(wěn)的危險區(qū)域。
[0004] 以往的分析大都是基于對復(fù)合材料層合板已有鋪層的調(diào)整分析，并沒有將優(yōu)化設(shè) 計引入其中。在大展弦比復(fù)合材料機翼的優(yōu)化設(shè)計中，多數(shù)的氣動彈性優(yōu)化技術(shù)綜合考慮 了變形，顫振和強度等方面的約束條件。但是在機翼這樣的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)中，目前的關(guān)于復(fù) 合材料機翼壁板穩(wěn)定性方面的研究大多數(shù)以壁板屈曲分析為主，只能作為分析校核手段， 無法在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計階段對穩(wěn)定性進行約束，后續(xù)的校驗可能導(dǎo)致設(shè)計工作反復(fù)，所以在 結(jié)構(gòu)優(yōu)化中引入穩(wěn)定性約束條件具有實際工程應(yīng)用價值與需求，發(fā)展一種同時考慮氣動彈 性約束和穩(wěn)定性約束的優(yōu)化方法非常有必要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種復(fù)合材料機翼壁板鋪層確定方法，其特征在 于包括：
[0006] A)建立結(jié)構(gòu)模型和氣動模型；
[0007] B )明確優(yōu)化設(shè)計的對象；
[0008] C)確定機翼結(jié)構(gòu)中的目標函數(shù)；
[0009] D)在所述步驟C)之后，施加約束條件；
[0010] E)進行約束調(diào)節(jié)的分析；
[0011] F)以步驟D)和E)這兩個步驟的結(jié)果作為輸入，執(zhí)行混合優(yōu)化處理。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的多約束氣動彈性優(yōu)化方法的流程圖。
[0013] 圖2是圖1所示的流程中按照遺傳算法的規(guī)律更新屈曲分析載荷后獲取穩(wěn)定性約 束條件的流程。
[0014] 圖3是圖1所示的流程中讀取鋪層信息時生成壁板鋪層序列的子程序分析流程。
[0015] 圖4在一民機復(fù)合材料機翼模型上進行多約束條件下氣動彈性剪裁優(yōu)化的示意 圖。
[0016] 圖5顯示了的鋪層順序優(yōu)化中的鋪層序列變化歷程。

【具體實施方式】
[0017] 本發(fā)明提供了一種考慮結(jié)構(gòu)屈曲穩(wěn)定性和鋪層順序的復(fù)合材料機翼壁板鋪層設(shè) 計技術(shù)，用于為初步設(shè)計階段的壁板鋪層設(shè)計提供基礎(chǔ)。
[0018] 在飛機翼面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要考慮一些薄壁結(jié)構(gòu)和桿元結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題，例如 機翼蒙皮壁板和連桿結(jié)構(gòu)等。而在機翼結(jié)構(gòu)初步設(shè)計階段，主要開展針對機翼翼盒的設(shè)計， 這時只需考慮翼面壁板的穩(wěn)定性即可。
[0019] 圖1所示的，是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的考慮屈曲約束與鋪層順序的復(fù)合材料 機翼壁板鋪層確定方法，其中，在確定機翼的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)的方案(步驟101)以后，首先，在 步驟102 :
[0020] 一建立結(jié)構(gòu)模型和氣動模型；
[0021] 一明確優(yōu)化設(shè)計的對象，在一般機翼結(jié)構(gòu)中，主要是是蒙皮、梁、桁條；
[0022] -確定目標函數(shù)，S卩：機翼結(jié)構(gòu)中，對應(yīng)的目標函數(shù)主要有結(jié)構(gòu)重量、頻率等。
[0023] 隨后，按照遺傳算法的規(guī)律更新屈曲分析載荷或讀取鋪層信息(步驟103)，并施 加穩(wěn)定性約束條件，和/或展開氣動彈性約束、結(jié)構(gòu)強度約束、制造工藝約束的分析(步驟 104)。以步驟103和104這兩個步驟的結(jié)果為混合優(yōu)化處理(步驟105)的輸入。反復(fù)迭代 執(zhí)行運算(步驟106)，最終確定出優(yōu)化機翼結(jié)構(gòu)(步驟107)。
[0024] 結(jié)合圖1的實施例所描述的本發(fā)明中，通過調(diào)用屈曲分析結(jié)果，來實現(xiàn)穩(wěn)定性約 束，，再將穩(wěn)定性約束條件添加到氣動彈性綜合優(yōu)化中。圖2的內(nèi)容為圖1中104步驟的具 體實施方案。根據(jù)本發(fā)明的該穩(wěn)定性約束條件的獲取方法的一個實施例如圖2所示。圖2 的實施例中，分析狀態(tài)是一直更新的（步驟201 )，在確定原有的機翼有限元模型（步驟202) 的基礎(chǔ)上，先對結(jié)構(gòu)施加外載荷，進行靜力分析(步驟203)，求解內(nèi)力，讀取靜力分析的結(jié)果 (步驟204)，在所求得的內(nèi)應(yīng)力的基礎(chǔ)上求解剛度矩陣，確定屈曲分析的工況(步驟205)，進 一步得到屈曲分析的控制參數(shù)(步驟206)，將以上以上步驟202 - 206迭代進行，最后開展 穩(wěn)定性分析，計算屈曲因子(步驟207)，得到穩(wěn)定性約束條件（208)。
[0025] 當(dāng)在如圖1所示實施例所表示的優(yōu)化過程中處理鋪層順序問題的處理的一個實 施例如圖3所示。首先，讀取復(fù)合材料層合板屬性卡片信息(步驟301 )，獲得最大鋪層厚度、 層合板鋪設(shè)比例、以及其余復(fù)合材料纖維屬性參數(shù)信息(步驟302)。然后折算出各個鋪設(shè)角 度的鋪設(shè)層數(shù)，并按指定方式編碼生成原始鋪層序列。利用FORTRAN函數(shù)庫RAND0M_NUMBER ()函數(shù)生成隨機數(shù)，通過調(diào)節(jié)原始序列生成最大厚度隨機鋪層序列(步驟303)。為保證鋪層 纖維的連續(xù)性，其余各厚度的鋪層順序序列由最大厚度序列中抽取一部分得到(步驟304)， 同時要保證鋪層各鋪設(shè)角度的比例。在生成鋪層序列后通過判斷其是否滿足層合板鋪層原 貝IJ (步驟305,主要考量鋪層中是否包含每一種鋪設(shè)角度鋪層，同一角度連續(xù)鋪設(shè)層數(shù)是否 超過預(yù)定層數(shù)(如四層）），如不滿足"否"，則返回（步驟306)迭代直至生成滿足要求的鋪層 序列。
[0026] 基于運算程序生成的機翼壁板初始鋪層作為輸入，調(diào)用隨機鋪層子程序生成新鋪 層序列提交Nastran分析，讀取分析結(jié)果并獲得設(shè)計響應(yīng)值，如果不滿足終止條件，則返回 機翼壁板初始鋪層迭代運算直至生成遺傳敏度混合算法優(yōu)化條件下機翼壁板鋪層序列（步 驟 307)。
[0027] 以一民機復(fù)合材料機翼模型為例，如圖4,進行多約束條件下氣動彈性剪裁優(yōu)化設(shè) 計。優(yōu)化問題可描述為：
[0028] 目標函數(shù)：機翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小。
[0029] 設(shè)計變量：機翼上下蒙皮各鋪層厚度，前后梁凸緣/腹板各鋪層厚度，桁條筋條厚 度。
[0030] 約束條件：本例重點考慮了機翼蒙皮壁板的穩(wěn)定性約束。具體的靜氣動彈性響應(yīng) 約束主要考慮機翼的垂直變形和扭轉(zhuǎn)；動氣動彈性響應(yīng)為顫振；而強度約束則包含了復(fù)合 材料失效，許用強度和許用應(yīng)變等；穩(wěn)定性約束為機翼上蒙皮壁板在極限載荷狀況下不發(fā) 生失穩(wěn)現(xiàn)象。具體載荷工況及約束條件選取如下所示：
[0031] I) 2. 5g縱向?qū)ΨQ拉起：飛行高度11200m，馬赫數(shù)0.785,約束條件為|爐| < 4.5°， u < IX 12%,其中妒為翼尖扭角(對于本文分析后掠翼,該值為負),u為翼尖垂直位移，1為 機翼半展長；
[0032] 2)滾轉(zhuǎn)機動：飛行高度11200m，馬赫數(shù)0. 785,副翼效率η > 60% ;
[0033] 3)顫振速度：在海平面高度，根部固支情況下，機翼的顫振速度不低于320m/s。選 用機翼前10階彈性模態(tài)進行顫振分析，其中已經(jīng)包含了機翼參與顫振的主要彎曲和扭轉(zhuǎn) 模態(tài)；
[0034] 4)穩(wěn)定性：在2. 5g縱向?qū)ΨQ拉起情況的等效載荷條件下，機翼上壁板不出現(xiàn)失 穩(wěn)，即在該載荷條件下，正向一階屈曲載荷因子大于1 (考慮到復(fù)雜機翼屈曲求解時，特征根 差值很小，為保證安全裕度，同時約束正向二階屈曲載荷因子大于1)。表1列出了四種優(yōu)化 分析狀態(tài)的條件：
[0035] 表1分析狀態(tài)定義

【權(quán)利要求】
1. 復(fù)合材料機翼壁板鋪層確定方法，其特征在于包括： A) 建立結(jié)構(gòu)模型和氣動模型； B) 明確優(yōu)化設(shè)計的對象； C) 確定機翼結(jié)構(gòu)中的目標函數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的復(fù)合材料機翼壁板鋪層確定方法，其特征在于進一步包括： D) 在所述步驟C)之后，施加約束條件(步驟103)， E) 進行約束調(diào)節(jié)的分析(步驟104)， F) 以步驟D)和E)這兩個步驟的結(jié)果作為輸入，執(zhí)行混合優(yōu)化處理(步驟105)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的復(fù)合材料機翼壁板鋪層確定方法，其特征在于進一步包括： 反復(fù)迭代執(zhí)行運算(步驟106)，最終確定出優(yōu)化機翼結(jié)構(gòu)(步驟107)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2的復(fù)合材料機翼壁板鋪層確定方法，其特征在于所述步驟D)包括： 按照遺傳算法的規(guī)律更新屈曲分析載荷。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的復(fù)合材料機翼壁板鋪層確定方法，其特征在于所述步驟F)包括： F1)分析狀態(tài)(步驟201)， F2)把狀態(tài)參數(shù)施加到原有的機翼有限元模型(步驟202)， F3 )對結(jié)構(gòu)施加外載荷，進行靜力分析(步驟203 )， F4)求解內(nèi)應(yīng)力并讀取靜力分析的結(jié)果(步驟204)， F5)在所求得的內(nèi)應(yīng)力的基礎(chǔ)上求解剛度矩陣，確定屈曲分析的工況(步驟205)， F6)得到屈曲分析的控制參數(shù)(步驟206)， F7)將以上以上步驟D2) - D6)迭代進行，之后開展穩(wěn)定性分析，計算屈曲因子(步驟 207)， F8)得到穩(wěn)定性約束條件（208)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2的復(fù)合材料機翼壁板鋪層確定方法，其特征在于所述步驟D)包括： 讀取鋪層信息。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的復(fù)合材料機翼壁板鋪層確定方法，其特征在于所述步驟F)包括： F1'）讀取復(fù)合材料層合板屬性卡片信息(步驟301)， F2'）獲得最大鋪層厚度、層合板鋪設(shè)比例、以及其余復(fù)合材料纖維屬性參數(shù)信息(步驟 302)，然后折算出各個鋪設(shè)角度的鋪設(shè)層數(shù)，并按指定方式編碼生成原始鋪層序列， F3'）生成隨機數(shù)，通過調(diào)節(jié)原始序列生成最大厚度隨機鋪層序列(步驟303)， F4'）由最大厚度序列中抽取一部分鋪層序列得到其余各厚度的鋪層順序序列（步驟 304)，并保證鋪層纖維的連續(xù)性和鋪層鋪設(shè)角度的比例， F5'）在生成鋪層序列后，判斷鋪層序列是否滿足層合板鋪層要求(步驟305)，包括判定 鋪層中是否包含每一種鋪設(shè)角度鋪層，同一角度連續(xù)鋪設(shè)層數(shù)是否超過預(yù)定層數(shù)，如"否"， 則返回(步驟306)迭代直至生成滿足層合板鋪層要求的鋪層序列， F6'）以基于運算程序生成的機翼壁板初始鋪層作為輸入，調(diào)用隨機鋪層子程序生成新 鋪層序列提交Nastran分析，讀取分析結(jié)果并獲得設(shè)計響應(yīng)值，如果不滿足終止條件則返 回機翼壁板初始鋪層迭代運算，直至生成遺傳敏度混合算法優(yōu)化條件下機翼壁板鋪層序列 (步驟307)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1 一 7之一的復(fù)合材料機翼壁板鋪層確定方法，其特征在于包括： 在所述步驟A)之前，確定機翼的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)的方案(步驟101 )。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1 一 7之一的復(fù)合材料機翼壁板鋪層確定方法，其特征在于： 所述步驟B)中的所述對象，包括蒙皮、梁、桁條， 所述步驟C)中的所述目標函數(shù)包括結(jié)構(gòu)重量、頻率。
10. 根據(jù)權(quán)利要求2 - 7之一的復(fù)合材料機翼壁板鋪層確定方法，其特征在于： 所述約束調(diào)節(jié)包括氣動彈性約束、結(jié)構(gòu)強度約束、制造工藝約束。
【文檔編號】B64F5/00GK104229155SQ201310228950
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月8日
【發(fā)明者】萬志強, 肖飛, 周磊, 劉超, 朱斯巖 申請人:北京航空航天大學(xué)