复合材料翼面结构综合优化设计技术

概要介绍了复合材料翼面结构在静力、振动、位移、舵面效率、发散速度、颤振、尺寸限制等多种约束条件下的最小重量设计技术。对优化过程中遇到的复合材料的静强度准则、均衡约束、动态上限等问题提出了相应的解决方法。用基于该技术和方法而编制出的综合设计程序系统对一个三角机翼复合材料结构进行了综合优化设计研究,在满足许用应变、尺寸限、均衡、颤振速度等约束条件下,经6次迭代得到了最佳的铺层设计结果。该机翼全尺寸静强度、耐久性/损伤容限及共振试验结果表明:理论计算与试验符合;复合材料构件中的最大应变小于许用应变约束限制;按许用应变设计出的复合材料翼面蒙皮构件可满足耐久性/损伤容限要求;颤振速度比同状态金属机翼提高23％;减重效率为20％。     

复合材料盒段静力,耐久性和损伤容限一体化试验研究

本文通过某军机机翼整体油箱盒段在国内首次成功地完成了静力、耐久性和损伤容限一体化试验,给出了一整套符合结构完整性大纲要求的验证技术和工程上实用的试验程序;探索了试件上预制模拟各种低速冲击的人工损伤对复合材料结构静力、耐久性和损伤害限特性的影响程度;证实了用加重谱进行复合材料结构耐久性和损伤容限试验是解决复合材料疲劳分散性的有效技术途径;证明了复合材料盒段在引入冲击损伤后用加重谱进行耐久性试验,其密封功能仍满足国军标要求;验证了以冲击压缩破坏曲线的门槛值为基础确定设计许用应变值进行设计的复合材料结构具有“静力覆盖疲劳”和“损伤不扩展”特性。同时指出了该设计思想的保守性和局限性,提出了更新上述设计思想的研究方向。     

复合材料飞机结构强度设计和验证的特点

结合军用飞机结构强度规范修订，概述了复合材料飞机结构设计规范的演变，并基于过去20多年参与复合材料结构设计的经验教训和美国最新的军用飞机设计规范，从材料和工艺、设计许用值、静强度、耐久性、损伤容限和结构验证试验等几方面分别阐述了复合材料结构强度设计和验证要点及与金属结构的差别。     

复合材料飞机结构材料和设计许用值的确定方法

分析国内外复合材料飞机结构材料许用值、设计许用值的确定原则和方法,研究给出了复合材料结构材料许用值的表征和应用、试验以反试验数据的统计分析方法,以及静强度、疲劳强度、损伤容限和修理设计许用值的确定方法.     

大展弦比复合材料机翼气动剪裁和减重优化设计

针对大展弦比复合材料机翼各部位的受力和气动特点,将机翼进行分块。在满足结构强度和稳定性等约束条件的前提下,将机翼各块的铺层厚度和铺层顺序作为设计变量,机翼的质量和颤振速度作为目标函数,进行多目标、多约束条件下的优化设计。经过优化后,机翼质量下降21.62%,颤振速度提高12.97%,且满足所有约束条件。这表明,铺层厚度和铺层顺序对机翼的质量和颤振速度有较大的影响,整体设计时,应重点考虑。     

复合材料飞机结构强度新规范要点评述

基于过去20多年参与复合材料结构设计的经验教训和美国最新的军用飞机设计规范,阐述了中国复合材料结构强度设计和验证要点及与金属结构的差别。其要点为:以承认性能表征多样性和材料与结构同时形成为基础的材料和工艺要求;以承认初始缺陷/损伤对结构静强度有影响为基础的设计许用值确定方法;以需要特别考虑湿热环境影响为特点的静强度设计和验证;以承认静力覆盖疲劳和考虑冲击损伤阻抗为特点的耐久性设计和验证;以冲击损伤及损伤无扩展为基础的损伤容限设计和验证;以全尺寸部件和由试样、元件(包括典型结构件)、组合件组成的多层次积木式设计验证方法相结合为基础的结构验证试验。     

复合材料盒段耐久性损伤容限试验研究

以冲击损伤容限设计思想为基础,按冲击压缩破坏曲线的门槛值确定设计许用值进行设计的复合材料结构,一般认为“静力覆盖疲劳”和“损伤不扩展”的结论成立,DAC8号复合材料机翼的设计遵循了这一设计思想。为验证上述结论选取复合材料机翼主受力盒段即油箱盒段,进行了耐久性损伤容限试验研究。结果表明,引入8～15J人工冲击损伤4处,并在1.15倍加重谱下进行了2倍寿命耐久性试验和2倍寿命损伤容限试验的结构,其剩余承载能力仍达到无损结构承载能力的80％以上,且试验过程中和试验结束后的无损检测均未发现预制的人工损伤发生扩展,证实了“静力覆盖疲劳”和“损伤不扩展”结论的正确性。     

复合材料抗冲击性能和结构压缩设计许用值

 从复合材料结构压缩设计许用值的概念和复合材料的冲击后压缩强度性能出发，讨论按NASA标准得到的CAI值与它们的关系，指出传统的CAI值不能充分反映复合材料体系的抗冲击性能，且与结构压缩设计许用值无任何联系。在对复合材料结构完整性要求和作者的试验研究，和对国外文献总结的基础上，提出复合材料抗冲击性能应包括损伤阻抗和损伤容限两方面。大量的试验数据证实复合材料层压板抗冲击性能存在拐点现象，在对拐点附近复合材料层压板的破坏机理研究基础上，建议用拐点附近的性能建立复合材料层压板抗冲击性能的评定体系，即可以用表面层在冲击下保持其完整性的最大能力(最大接触力)来表征复合材料体系的损伤阻抗(韧性)；用出现拐点后基本不变的压缩强度(破坏应变)门槛值来表征复合材料体系的损伤容限。     

大展弦比复合材料前掠翼气动弹性分析与优化

对具有不同前掠角和蒙皮偏轴角的大展弦比复合材料机翼进行了气动弹性建模与计算,以分析前掠角和蒙皮偏轴角对这类结构的静、动气动弹性特性的影响。使用遗传／敏度混合优化算法对几种典型前掠角和蒙皮偏轴角情况下的机翼进行了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。此外,还分析了蒙皮和突缘的铺层厚度沿展向变化的函数的幂次对优化结果的影响。     

考虑气动弹性约束的机翼结构布局优化设计

提出了一种气动弹性约束下的复合材料机翼结构布局优化设计方法.机翼内部翼梁的数目与机翼各部件的尺寸被统一来考虑,拓扑变量和尺寸变量由一个双层循环机制的优化程序来统一处理.第一层,使用蚁群算法来处理拓扑设计变量;第二层,使用NASTRAN的Sol200优化程序来处理尺寸变量,同时考虑强度、刚度、颤振约束,并将第二层的优化结果反馈给第一层以催生出更优的结构布局方案.最后,使用基本的颤振优化(没有调整结构布局)与本文方法对某前掠机翼进行了布局优化设计,并将结果进行了对比.结果表明,综合考虑各种设计约束下,结构布局形式对结构质量有重要影响,应予高度重视,同时证明了本文方法的正确性与可行性.     

Aeroelastic optimization of an aerobatic aircraft wing structure

This paper aims at presenting an investigation into a minimum weight optimal design and aeroelastic tailoring of an aerobatic aircraft wing structure. Firstly, analytical and FE models were created for the original metallic wing and an improved composite wing box structures. In order to validate the numerical models, predicted vibration parameters of the metallic wing box were compared with the experimental results. Comparison was also made for the predicted stress results between the metallic and the composite wing box structures of different dimensions and laminate layups. Secondly, based on a minimum weight composite wing box model of adequate strength the investigation was focused on the aeroelastic tailoring of the wing box by employing the gradient-based deterministic optimization method. The study demonstrates that in addition to a significant weight saving, up to 30% increase of flutter speed for the composite wing box can be achieved by optimizing the fibre orientations of the wing skin and spar web laminates. The optimized laminates are trimmed and reinforced to meet the manufacture and strength requirements with little compromise of flutter speed and a minor weight penalty.     

典型复合材料机翼铺层设计分析

利用DASCM程序完成带整体油箱复合材料机翼铺层设计的优选方法、原理和算例。采用了灵敏度分析和导数均匀化两种方法进行复合材料铺层优选设计。优选设计后的复合材料机翼重量仅比金属机翼增重0.84kg,而颤振速度却提高22.6％,满足了设计要求,而且大大加快了设计速度。     

基于强度约束的复合材料机翼翼盒设计优化

提出了一个大型飞机复合材料机翼受强度约束条件下的优化问题,基于机翼结构的初步设计进行了设计优化。通过OptiStruct商业软件来完成优化过程,OptiStruct是一个效率高、精确独立的有限元求解器,目前也被广泛应用于航空航天工业中。根据设计目标,优化过程中将机翼上下蒙皮复合材料的层压厚度作为设计变量,优化后的结构重量减少了25.07%。在实际生产限制条件下,为了使设计结果趋于保守,对优化后的层板厚度进行了调整,适当增加了厚度,导致结构重量略有增加,但是最终的重量减少仍然超过20%,证明该方法在实现复合材料机翼结构的轻量化设计中具有实用性,可在机翼设计阶段的静强度评估中进行应用。     

一种面向工程的气动弹性剪裁技术

以COMPASS为平台研究了蒙皮铺层主方向角对机翼气动弹性的影响,以及采用不同形式的多项式函数表示蒙皮厚度的方法,分析了设计变量的敏度计算方法,并运用优化的方法对两个复材机翼结构进行了位移、频率、发散和颤振速度约束下的剪裁设计,获得了结构响应与主方向角的变化曲线和机翼表面的厚度分布等高线.研究结果表明本方法拓宽了复材机翼的设计手段,具有广阔的应用前景.     

复合材料翼面结构气动弹性剪裁

 <正> 1.引言 本文采用了混合设计变量。对复材蒙皮,由于其连续性,我们用双三次多项式来描述各定向铺层的厚度,将多项式系数做为设计变量,对于其他部件如肋、腹板等,我们仍用其有限单元的截面积或厚度做为设计变量。整个结构采用有限元法做结构分析。固有振型采用高效率的谱变换Lanczos法计算,非定常气动力用亚音速偶极子格网法计算,用可行方向法求解优化问题。     

具有随机不确定性的机翼颤振优化

针对不确定性参数在颤振优化分析中的影响,提出了一种含颤振约束的、具有随机不确定性的机翼气动弹性优化设计方法.在MSC.NASTRAN平台上建立了结构的动力学模型、采用ZAERO程序进行了非定常气动力计算与颤振分析,用响应面方法计算了隐式失效功能函数,以重量最小为设计目标,对包含颤振概率约束的复合材料机翼进行了优化设计....     

基于数学规划法的飞机机翼结构分层次优化设计方法研究

在方案设计阶段,为了使机翼结构既满足强度设计要求,又满足刚度设计要求,本文提出了一种基于数学规划法的层次优化方法。首先利用准则法进行结构的满应力设计优化,在此基础上利用数学规划法进行结构的刚度设计(以颤振约束进行优化并进行舵面效率的校核)。文中以某型飞机机翼为例,在多墙、梁式两套方案的结构优化设计上进行了成功应用。     

复合材料翼面结构多级优化设计方法

建立一种适用于复合材料结构的多级优化方法。第一级优化包括系统级优化和元件级优化。系统级优化以板厚度或杆横截面为设计变量，从Ｋｕｈｎ－Ｔｕｃｋｅｒ出发导出改进设计变量的迭代式；元件级优化保持最优迭层板厚度和节点位移不变，利用线性规划技术使结构应变能最大，得到最优分层厚度。第二极优化以纤维铺向角为设计变量，以降低各约束点处位移为目标进行优化，提高结构刚度。算例研究复合材料翼面盒段满足强度要求和挠曲变形规律要求时的优化设计，结果表明该方法计算方便，接口简单，收敛迅速。     

翼面结构/颤振主动控制律一体化设计

在气动弹性领域内对结构 /控制一体化设计作了初步的探索与研究。针对采用加速度传感器的气动伺服弹性模型 ,建立了在拉普拉斯域中颤振速度对结构设计变量及控制设计变量的解析导数表达式。同时也建立了奇异值对结构设计变量的解析导数表达式。对一矩形机翼以输出反馈的形式进行了结构 /控制一体化设计。目标函数为结构重量最轻 ,满足闭环系统颤振速度和以奇异值为基础的鲁棒稳定性指标约束 ,取得了较好的计算结果