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。     

基于MSC.Nastran的直机翼结构优化设计

利用有限元方法,对直机翼以重量最轻为目标,以强度和位移作为约束,以机翼蒙皮厚度、腹板厚度、缘条尺寸作为设计变量,进行了优化设计,并且分析了复合材料蒙皮替代金属材料蒙皮结构的结果。对比两种不同材料的有限元分析结果,发现复合材料层压板结构可以替代金属材料,而且减重效果明显。对机翼蒙皮进行分区优化,对复合材料铺层厚度进行优化设计,最后得到合理的优化结果。     

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。     

基于HyperSizer的复合材料舱门结构渐进式优化设计

结构重量是飞机复合材料结构设计需要考虑的重要因素和约束条件.针对某大型复合材料舱门设计方案,建立有限元模型,使用Patran/Nastran进行初步分析,再应用HyperSizer开展渐进式优化设计,优选出符合设计要求的方案,并计算构型的截面参数、铺层角度和铺层顺序等设计参数,完成结构建模和渐进式优化分析过程.结果表明:使用HyperSize进行渐进式优化设计,降低了结构的重量,达到了预期目标.     

工程化复合材料结构优化设计方法

复合材料结构的可设计性带来大量设计变量,单靠传统方法难以实现结构优化,复合材料结构优化的铺层优化设计也是关键问题之一。从工程实际出发,探讨具有工程操作性的复合材料结构优化设计方法,形成 从结构布置优化到初始尺寸优化,再到详细铺层优化的三级优化设计方法,并在设计过程中加入符合复合材料 工艺要求的制造性约束;以某飞机复合材料垂尾翼盒结构设计为例,采用该方法对其进行优化设计。结果表明:本文提出的三级优化设计方法是适用于航空复合材料结构优化设计的一种通用方法,可降低结构质量、缩短研制周期。     

U形夹芯结构复合材料蒙皮制造技术研究

针对U形夹芯结构复合材料蒙皮在实际成型过程中存在的主要问题进行了研究,在蜂窝芯局部稳定辅助手工倒角、蜂窝芯外形控制、铺层交叉固持及零件外形检测等方面对成型工艺进行了改进,并对相应的改进进行了深入分析。研究结果表明:通过对蜂窝的局部稳定化处理,实现了过拉伸蜂窝芯手工修切过程中倒角表面质量的明显改善;通过对外形样板的优化设计,实现了过拉伸蜂窝芯外形尺寸的精度控制;通过对铺叠过程中铺层的交叉固持,避免了U形夹芯结构复合材料蒙皮固化时的压力传递问题,有效解决了蜂窝芯收缩、铺层滑移皱褶及内部分层等问题;通过简易卡板、定力夹紧装置与塞尺方式相结合的方法,实现了零件状态下外形的高效测量。     

基于可行方向法的机翼盒段结构参数优化设计

利用TCL语言对Hyper Works进行二次开发,建立翼盒长桁与蒙皮面积比以及上蒙皮、梁腹板局部稳定性响应并关联部件几何参数。在可行方向法的基础上提出了小步长迭代分层优化方法,以民用飞机为例,对机翼盒段进行参数优化设计,实现了翼盒结构减重。     

考虑层间应力的厚复合材料结构多级优化设计方法

充分发挥复合材料的利用率,降低结构重量,厚复合材料结构优化设计是非常重要的。然而优化设计空间复杂,层间应力问题突出,离散设计变量等问题使得厚复合材料结构的优化变得十分困难。针对由铺层相同的子层板叠成的厚复合材料层合板结构的复杂优化问题,本文提出一种多级优化设计方法。第一级优化采用基于径向基神经网络代理模型的优化设计方法,设计变量为子层内层数及铺层比例;第二级优化分为两个层次进行,系统层以结构重量最轻为目标,设计变量为子层数,子系统层采用遗传算法优化铺层顺序,以层间应力因子最小为目标。结合算例,通过Matlab编写遗传算法,并应用Isight集成Matlab来实现该优化设计方法。结果表明:本文提出的多级优化设计方法是有效的,能够很好地实现具有周期性铺层方式的厚复合材料层合板结构的优化设计。     

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。      

基于Abaqus和modeFRONTIER的复合材料结构优化设计方法

复合材料结构优化设计包括几何尺寸、铺层层数和铺层顺序的优化设计,通常采用多级优化技术,将几何尺寸、铺层层数和铺层顺序逐级进行优化。本文使用一个十进制数字表示一个复合材料层合板的铺层顺序,作为铺层顺序的设计变量。将有限元软件Abaqus与优化软件modeFRONTIER集成,采用Python语言编写的铺层顺序的算法,对复合材料结构的几何尺寸、铺层层数和铺层顺序进行同步优化。     

非对称非均衡复合材料铺层优化设计

提出一种非对称非均衡复合材料层合板的设计方法,以解决翼面气动弹性剪裁问题,并对这种层合板的铺层角度和铺层顺序进行优化设计,铺层顺序的优化采用遗传算法,对遗传算法的实施采用数字编码串的编码方法,进行相应的繁殖、交叉、变异算子的设计,并给以算例验证。     

A single-level composite structure optimization method based on a blending tapered model

In order to decrease the number of design variables and improve the efficiency of com- posite structure optimal design, a single-level composite structure optimization method based on a tapered model is presented. Compared with the conventional multi-level composite structure opti- mization method, this single-level method has many advantages. First, by using a distance variable and a ply group variable, the number of design variables is decreased evidently and independent with the density of sub-regions, which makes the single-level method very suitable for large-scale composite structures. Second, it is very convenient to optimize laminate thickness and stacking sequence in the same level, which probably improves the quality of optimal result. Third, ply con-tinuity can be guaranteed between sub-regions in the single-level method, which could reduce stress concentration and manufacturing difficulty. An example of a composite wing is used to demonstrate the advantages and competence of the single-level method proposed.     

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。     

PMI 泡沫夹层结构整流罩冯卡门锥段成型技术研究

对PMI泡沫夹层结构整流罩冯卡门锥段成型技术进行了研究,通过对玻璃钢面板及其泡沫夹层结构性能、面板成型、泡沫热成形、泡沫拼接、玻璃钢泡沫夹层结构成型及无损检测等技术研究,确定了玻璃钢外面板、预先固化,然后与泡沫等复合组装,最后铺覆内面板,整体进罐固化的成型工艺。结果表明,玻璃钢面板纵、横向拉伸强度为602、593 MPa,模量为26.0、27.2 GPa,满足设计强度≥350 MPa、模量≥25 GPa的要求;玻璃钢/PMI泡沫夹层结构泡沫密度为(110±10)kg/m3,厚度28 mm,纵、横向侧压强度为32.9、30.5 MPa、模量为2.31、2.38 GPa,满足设计指标侧压强度≥25 MPa、模量≥2.0 GPa的要求,采用玻璃钢/PMI泡沫夹层结构分步固化成型工艺研制的首件新型号整流罩冯卡门锥段,满足设计使用要求。     

Integration of Manufacturing Cost into Structural Optimization of Composite Wings

 The manufacturing cost is a significant factor that must be considered in the structural design of a composite wing. A multi-objective optimization method for the tradeoff between manufacturing cost and weight of composite wing structure is developed by integrating the manufacturing cost model into the traditional wing structural optimization. A two-level optimiza-tion method is proposed to carry out the tradeoff between manufacturing cost and weight, in which the design variables include both structural layout and dimensions and a cost model is incorporated into structural optimization. The manufacturing cost model for a composite wing and the detail procedure for solving this tradeoff problem are presented. The application of the method to the composite wing structural design of an unmanned aerial vehicle is illustrated to verify the method. The applica-tion indicates that the method is able to find the Pareto optimal set of minimum structural weight and manufacturing cost. Based on the Pareto optimal set, one can conduct the tradeoff between manufacturing cost and weight of wing structures.     

Optimization and analysis of composite sandwich box beam for solar drones

Solar drones have garnered considerably research attention in recent years due to their continuous cruising capability, and the feasibility of design schemes is sensitive to the weight of structure. Sandwich box beam composed of carbon fiber and polymethacrylimide (PMI) foam is conducive to realize the lightweight of structure. In this study, a two-stage optimization design methodology for sandwich box beam is proposed. This methodology is primarily based on a low-order analytical method for evaluating stress/deflection and the linear buckling analysis method combined with experimental correction factor for predicting the buckling eigenvalues. Subsequently, a case study was conducted using an 18-m wingspan solar drone, where the results of mechanical test verified the optimization results. For validating the use of sandwich box beam in solar drones of other scales, additional analysis was conducted based on three aspects: (A) effects of stiffness and stability constraints on the design of sandwich box beam; (B) crucial role of the weight of foam inter layer and application scope of sandwich box beam; (C) best method to improve the buckling eigenvalue of sandwich box beam. Overall, the methodology and general rules presented in this paper can support the design of light wing beam for solar drones.     

基于遗传算法的大展弦比复合材料机翼结构优化设计

结构减重是飞机设计的一个重要目标,采用复合材料代替金属材料以及对结构进行优化设计可以达到减重的效果。针对一个大展弦比复合材料机翼,采用遗传算法,通过Matlab调用Patran进行建模分析,以结构强度、刚度为约束条件,同时对翼梁位置和复合材料铺层进行优化设计;根据实际工艺要求建立复合材料铺层库,以解决复合材料铺层变量过多的问题。结果表明:本文提出的优化方法有效,对工程设计有较大的指导意义;复合材料铺层库在其他涉及复合材料铺层优化的问题中也具有广泛的应用前景。     

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。     

客机复合材料APU舱门结构设计及分析

按照结构布局、适航要求及APU门载荷水平,对复合材料APU舱门结构进行设计研究.为满足防火要求和闪电防护要求,选择先进碳纤维复合材料和泡沫芯材,设计了一种复合材料夹层结构.利用有限元模型对夹层结构在气动载荷和风载作用下进行应力和位移分析,得到应变云图和变形云图,分析说明该夹层结构设计满足设计要求.通过对B737飞机APU舱门结构研究和重量提取,进行重量等效对比分析,结果表明该复合材料夹层结构比金属结构重量轻25.8％,减重效果明显.