基于复合材料机翼刚度的铺层自由尺寸优化分析

复合材料层合板的优化设计对于提高飞机结构承载能力具有巨大的潜在意义,自由单元尺寸优化技术是对复杂的复合材料结构进行优化的有效方法。本文从复合材料机翼翼盒的翼尖刚度控制出发,对机翼壁板铺层进行了自由尺寸优化设计分析。研究表明：在给定的机翼翼尖变形约束下,自由单元尺寸优化方法能够快速准确地设计机翼翼盒的复合材料铺层比例和厚度,寻找到最优的主传力路径布置,以及获得最小重量目标。     

CJ818中央翼盒复合材料结构设计及分析

中央翼盒是飞机主要的承力结构,承担着飞机起飞、巡航和着陆过程中机翼及机身传来的各种载荷。复合材料作为一种优良的航空材料,具有比强度高、比刚度大,材料力学性能可设计等优点;由于复合材料各向异性的特点,使其结构设计比金属结构更为复杂。对CJ818飞机的中央翼盒进行复合材料结构设计,强度校核后对复合材料结构设计进行优化。对比中央翼盒复合材料结构设计与金属结构设计,为我国大飞机中央翼盒结构设计做一些探索性的工作。     

CJ828中央翼盒复合材料结构设计

中央翼盒是飞机主要的承力结构,承担着飞机起飞、巡航和着陆过程中机翼及机身传来的各种载荷[1].复合材料作为一种优良的航空材料,具有比强度高、比刚度大、材料力学性能可设计等优点;由于复合材料各项异性的特点,使其结构设计比金属结构更为复杂.对CJ828飞机的中央翼盒进行复合材料结构设计,强度校核后对复合材料结构设计进行优化.对比中央翼盒复合材料结构设计与金属结构设计,为我国大飞机中央翼盒结构设计做一些探索性工作.     

大展弦比飞机翼身结构不同刚度对结构响应的影响

为了研究大展弦比双机身布局无人机翼身结构不同刚度对结构响应的影响,本文采用有限元分析与满应力优化相结合来探讨这一问题。计算结果表明:机翼与机身之间不同刚度对结构响应存在影响。建议结构设计时注意这一现象并加以利用,从而得到轻量化的结构设计。针对算例进一步计算与分析表明:采用本文方法得到的结构优化方案,同样也能够满足该飞机的静、动气弹要求。结论:采用本文方法,不仅可以研究飞机部件之间不同刚度对飞机结构响应的影响,还可以进行全机的结构方案设计,并对此方案进行刚度、强度、颤振和控制面效率的分析与评估。     

三维机翼气动结构多学科优化方法

采用Euler方程、连续伴随优化方法、自由形面变形技术（free-form deformation,FFD）以及一种四边形线性壳单元模型对三维机翼气动结构多学科优化方法开展了研究。目标函数为阻力系数和机翼翼盒结构质量的加权和,设计变量为FFD控制点以及10段蒙皮的厚度。气动方面升阻力系数对设计变量的梯度由伴随方法求得,结构方面翼盒质量对于蒙皮厚度的梯度可直接计算,应力的梯度采用有限差分方法获得。对跨声速大展弦比机翼进行气动结构多学科优化,并将该计算结果与机翼气动单学科优化设计后的静气弹计算结果进行对比,结果表明:该气动结构多学科优化方法能够在满足约束条件下,实现阻力系数和翼盒质量同时降低,保证优化结果的合理性。      

大型民机复合材料机翼结构设计与分析

大型客机强调安全性、经济性、舒适性和环保性,这些性能上的高要求决定其对复合材料需求的迫切性和必然性.本文基于CJ828双通道宽体大型民机的设计方案,对全复合材料机翼结构进行了详细的总体设计并完成相应结构分析.根据CJ828飞机机翼的结构特征和飞行受力情况,用工程估算方法估算出机翼主承力结构几何尺寸,然后进行结构尺寸优化.对机翼蒙皮,翼肋复合材料层合板给出具体的铺层设计,建立机翼主承力翼盒有限元模型.基于HYPER-WORKS软件平台完成对机翼的静强度分析,并与金属机翼进行性能对比分析.后续完成机翼结构的固有频率计算,最后完成了机翼结构的模态瞬态响应分析.对实际工程中复合材料机翼结构设计有一定的设计参考价值.     

CJ828复合材料水平尾翼结构初步设计与分析

根据大型宽体客机的特点,结合飞机结构设计特别是复合材料结构设计的原则,运用现代飞机设计理论分析,对大型双通道宽体客机的水平尾翼进行了初步设计.首先确定了水平尾翼的主要主承力结构的布置形式,其次计算了水平尾翼在飞行过程中的载荷情况,进行合理选材,根据各结构元的受力特点确定细节尺寸和铺层形式.在CATIA软件中创建三维模型,在MSC.Patran/Nastran中进行有限元静强度校核,并进行了受力翼盒蒙皮铺层的优化,得到的结果满足预期设计许用值目标,并实现了等强度设计.     

探讨飞行器翼身不同结构刚度对翼尖位移和结构重量的关系

为了研究大展弦比双机身布局无人机中翼身结构不同刚度对结构响应的影响,本文采用有限元分析与满应力优化相结合来探讨这一问题.计算结果表明:机翼与机身之间不同刚度对结构响应存在影响.建议结构设计时注意这一现象并加以利用,从而得到轻量化的结构设计.针对算例进一步计算与分析表明:采用本文方法得到的结构优化方案,同样也能够满足该飞机的静、动气弹要求.结论:采用本文方法,不仅可以研究飞机部件之间不同刚度对飞机结构响应的影响,还可以进行全机的结构方案设计,并对此方案进行刚度、强度、颤振和控制面效率的分析与评估.     

杨旭 复合材料结构设计专家

我国在航空材料结构设计及优化方面取得了哪些重要突破,还存在哪些不足?杨旭:飞机结构优化设计技术有3个不同层次的应用,用于不同的飞机设计阶段。一个是飞机主承力构件位置优化(也称布局优化),另一个是主承力构件截面尺寸优化,还有一个是     

波音完成787梦想飞机翼盒的破坏性试验

日前,波音完成了787梦想飞机全尺寸复合材料翼盒的破坏性试验,这也是波音首次为民用飞机制造全复合材料的翼盒。此次试验是全新787飞机认证流程的一部分。翼盒是将机翼与机身相连接的悬臂梁,能支撑前缘和后缘装置、操纵舵面、发动机以及起落架。试验结构件为机翼段的一部分,长度约为15.2m。机翼上部、下部面板和翼梁全部由与机身相同的复合材料制成。翼肋为单块铝结构,     

考虑结构重量的机翼平面形状优化方法

采用工程梁理论对机翼结构进行估算,并结合气动力估算公式、飞行性能估算公式,构建了机翼平面形状优化系统。相比使用经验关系式估算重量的传统方法,考虑了短舱、起落架、燃油、自重载荷的影响,相对精确度较高。针对某宽体客机布局,展开考虑气动/结构重量的平面形状优化设计。采用若干几何特征对机翼平面形状进行参数化,通过气动力与结构重量耦合求解的方法,将气动特性与结构重量转化为飞机起飞总重这个设计目标,并使用遗传算法进行寻优。算例结果较原始构型起飞总重减少约174 kg,表明方法对飞机概念设计阶段快速确定机翼平面形状有一定的参考价值。     

扑翼机翼气动力和惯性力对翼杆结构变形研究

通过有限元方法探究了机翼上气动力和惯性力对结构变形的影响.研究表明扑翼机翼产生的气动力和惯性力大小在同一量级.机翼惯性力对机翼结构变形具有不可忽视的影响.当机翼处于水平位置时机翼气动力对结构变形贡献最大,同时合力产生的最大变形也出现在机翼水平位置.仿生扑翼机翼结构变形研究为高升力、低能耗扑翼机翼的设计提供了理论指导.      

Integrated optimization on aerodynamics-structure coupling and flight stability of a large airplane in preliminary design

The preliminary phase is significant during the whole design process of a large airplane because of its enormous potential in enhancing the overall performance. However, classical sequential designs can hardly adapt to modern airplanes, due to their repeated iterations, long periods, and massive computational burdens. Multidisciplinary analysis and optimization demonstrates the capability to tackle such complex design issues. In this paper, an integrated optimization method for the preliminary design of a large airplane is proposed, accounting for aerodynamics, structure, and stability. Aeroelastic responses are computed by a rapid three-dimensional flight load analysis method combining the high-order panel method and the structural elasticity correction. The flow field is determined by the viscous/inviscid iteration method, and the cruise stability is evaluated by the linear small-disturbance theory. Parametric optimization is carried out using genetic algorithm to seek the minimal weight of a simplified plate-beam wing structure in the cruise trim condition subject to aeroelastic, aerodynamic, and stability constraints, and the optimal wing geometry shape, front/rear spar positions, and structural sizes are obtained simultaneously. To reduce the computational burden of the static aeroelasticity analysis in the optimization process, the Kriging method is employed to predict aerodynamic influence coefficient matrices of different aerodynamic shapes. The multidisciplinary analyses guarantee computational accuracy and efficiency, and the integrated optimization considers the coupling effect sufficiently between different disciplines to improve the overall performance, avoiding the limitations of sequential approaches utilized currently.     

翼身融合无人机外形优化设计研究

翼身融合布局无人机具有较好的升阻特性和隐身特性,拥有广泛的应用前景。为了提高无人机的续航能力,兼顾翼身融合无人机的气动特性和结构重量要求,选择无人机升阻比与全机面积作为优化目标,应用多目标优化方法研究翼身融合无人机的外形设计,提出一种针对翼身融合无人机的外形参数化优化设计方法,并进行实例验证。结果表明:外形优化可以提高无人机升阻比、减轻结构重量,从而获得合理的翼身融合无人机设计方案。     

不同机翼优化构型的轻质F4模型气动特性实验研究

采用光固化快速成型技术（SL）加工基于气动/结构耦合分析的六套不同机翼优化构型的轻质F4模型,在0.6m跨超声速风洞完成了马赫数0.6-0.85范围内的气动力测量试验。试验结果表明,采用气动/结构耦合优化设计的代号为6#的轻质F4模型升力特性与国外结果较接近,与机翼三维变形的事实吻合,验证了采用的气动/结构耦合优化设计方法基本可行,为探索模型静气动弹性风洞试验数据修正方法提供了参考。     

基于共轭方程法的跨音速机翼气动力优化设计

 设计状态的机翼气动力特性是设计人员最为关心的指标, 应用控制理论设计方法进行了有升力约束情形下跨音速机翼阻力优化设计研究, 根据给定的目标函数推导了相应的共轭方程和边界条件, 研究了共轭方程的数值求解方法, 以及计算目标函数对设计变量的敏感性导数时所涉及的度量矩阵变分求解问题, 研究了流场计算、共轭方程数值求解、敏感性导数求解和拟牛顿优化算法这几个主要方面的有效结合问题, 发展出了一种跨音速机翼气动力优化设计方法, 进行了跨音速机翼气动力优化设计研究验证, 优化后机翼气动力特性有一定程度的改善, 阻力系数能减少20%左右, 而升力系数有所增大, 说明所发展的设计方法是成功的, 该设计方法在跨音速及复杂外形气动设计方面比以往设计方法具有更好的适用性和优越性。     

大展弦比弹性机翼梁腹板厚度优化设计

在设计机翼时,要求机翼不仅要具有足够的强度,而且还应具有足够的刚度,以保证其满足气动特性要求及其他要求。翼梁腹板厚度设计对机翼强度和刚度影响很大。所以,如何设计翼梁腹板厚度的展向分布,使机翼满足强度要求和刚度要求,是一个非常有意义的问题。本文针对某无人机机翼结构,研究了满足静强度要求、气动特性要求和副翼操纵效率要求的弹性机翼腹板厚度展向分布的设计方法。首先,根据无人机机翼气动特性设计要求设计机翼的刚度大小沿展向分布;然后,根据展向机翼刚度展向分布设计机翼腹板厚度分布;最后,分析该无人机在给定设计飞行状态下的强度和副翼操纵效率,并对其进行优化。     

气动载荷压心外移对机翼结构重量的影响

以某型飞机机翼气动分布载荷和结构重量为基础,研究气动载荷压心外移对机翼结构重量的影响,得到了气动压心外移量与机翼结构增重之间的函数关系。这个结论可以为其他型号的民机机翼设计提供参考依据。     

机翼结构重量预测的多学科分析优化方法

为了克服现有机翼结构重量计算方法的局限性,提出一种基于多学科分析优化的机翼结构重量计算方法。以客机机翼为例,阐述整个计算流程。计算流程的关键步骤包括机翼外形和结构参数化建模、气动分析模型自动生成与外形优化、结构有限元模型的自动生成和结构优化。应用CAD软件CATIA的二次开发方法,实现机翼外形几何模型、结构布置几何模型和气动分析模型的自动生成;应用MSC.Patran的PCL编程技术,实现结构有限元模型的自动生成;应用等效刚度和等效强度方法,提高结构有限元模型自动生成的稳健性,缩短结构分析和优化的计算时间;应用多学科集成和优化技术,建立机翼结构重量预测的计算平台,实现整个计算过程的自动化。算例表明这种方法稳健、有效,可快速地分析机翼外形参数与结构重量之间的关系,分析不同展向载荷分布和不同选材方案对机翼结构重量的影响。     

翼尖连接机翼布局弹性气动力探讨

翼尖连接机翼(Joined Wing)布局将后掠的前翼和前掠的后翼在翼尖处用端板相连,后掠翼和前掠翼互相依存,克服平直机翼的局限,提高飞行临界M数,减小诱导阻力,抑制前掠翼的发散倾向.但是该布局的设计参数选择需要气动,结构强度,气动弹性等多学科综合分析,多学科设计优化还需要提供相对于气动设计参数的敏度.探讨了一种翼尖连接机翼布局包含发散速压和变形在内的刚性和弹性气动特性,以及对气动设计参数的敏度,可供该布局的多学科设计优化参考.