响应面拟合法在机翼结构优化中的应用研究

在飞机结构优化设计中,针对循环利用有限元软件寻优耗时大、收敛比较慢的状况,本文采用了一种基于响应面多项式拟合方法对机翼结构进行优化。以某平直机翼为例,该方法从建立机翼结构的有限元模型出发,结合正交试验设计方法,经过对比,采用比较新颖的最大差值极小化法,建立机翼的二次响应面近似模型;在此基础上,以整个机翼结构质量最小化为目标,最大位移和最大应力为约束,把机翼划分为多个区域,选取各区域蒙皮厚度和全部肋腹板厚度为设计参数,建立数学优化模型,用ISIGHT集成MATLAB的方法,采用序列二次规划法进行优化。优化的结果表明,采用该方法对该平直机翼进行优化,在满足机翼刚度和强度的情况下,能有效降低机翼质量,并且避免了多次重复调用有限元软件进行计算,迭代次数仅为34次,优化效率明显提高。     

重载四旋翼无人机结构优化设计与强度计算

多旋翼无人机结构设计是无人机研制的重要环节,结构优化设计方法是保证无人机安全飞行、提高无人机性能的关键。根据重载四旋翼无人机性能要求,设计一款最大有效载荷10kg、可折叠、质量轻、强度高的四旋翼无人机。建立无人机结构有限元模型,基于实际工况对机臂及中心板进行静力及屈曲分析;对机臂及中心板的铺层方案进行优化,校核结构强度、刚度和稳定性;并搭建无人机静力测试平台,完成重载四旋翼无人机结构静力加载试验。结果表明:相对结构初始铺层方案,机臂减重43%,中心板减重35%,全机结构累计减重560g;试验测点的应变值与分析值相对误差小于15%,验证了无人机有限元模型和优化设计方案的可靠性。     

关于无人机机翼复合材料结构模拟及有限元分析

基于半梁式全金属无人机机翼模型,用等刚度设计方法建立半复材、全复材的无人机机翼复合材料结构有限元模型。分析半复材、全复材机翼相对全金属机翼的减重情况,并对比三角形与四边形壳单元在不同网格密度下的有限元模型的计算结果,得出:(1)半梁式机翼可以更好发挥蒙皮承载作用;(2)等刚度法设计的全复材机翼减重将近50%;(3)有限元计算的收敛可以用最大位移判断,本机翼计算节点数达1 974时收敛。     

基于ISIGHT/NASTRAN的机翼翼梁的结构优化设计

在满足机翼强度要求的情况下,集成ISIGHT/NASTRAN对机翼翼梁进行结构优化设计。在结构优化中以结构质量为目标,腹板MISES应力、缘条轴向应力以及缘条最大最小BEAM单元应力为约束,重点考虑主传力元件翼梁的腹板厚度和对应缘条的截面尺寸。在给出机翼有限元模型加载时采用自编的PCL语言将气动力等效到附近节点上。优化后两梁的质量为8.207 kg,相比优化前两梁质量10.07 kg减少了18.5%,明显地减少了两梁的耗材,并且优化结果满足强度要求。     

亚声速翼身融合无人机概念外形参数优化

为了兼顾翼身融合（BWB）布局无人机（UAV）的气动、隐身和结构重量要求,应用优化方法研究了某亚声速翼身融合无人机概念方案的外形设计问题。外形优化设计流程包括全机参数化几何外形模型、气动分析、机翼根部弯矩计算、雷达散射截面（RCS）分析、代理模型的建立和外形参数优化计算。选择了三种不同优化目标研究翼身融合无人机外形优化问题：①未配平状态升阻比最大;②配平状态升阻比最大;③配平状态升阻比尽量大和机翼弯矩尽量小。通过优化结果的对比分析,揭示了配平约束和机翼弯矩目标对优化设计结果的影响。研究结果表明：计入配平约束能够有效提高配平升阻比;将配平状态升阻比尽量大和机翼根部弯矩尽量小作为优化目标能够获得合理的优化外形。     

固化残余应力对无人机复合材料机翼强度的影响

复合材料的力学性能与复合材料的固化过程密不可分。复合材料在固化过程中,由于树脂固化收缩、纤维与基体之间的热膨胀系数不匹配等因素,会产生固化残余应力与固化变形。该固化残余应力会影响复合材料结构的力学性能,甚至会引起分层、基体开裂等严重缺陷。因此,有必要研究固化残余应力对复合材料结构强度的影响。针对某型复合材料机翼,首先利用ABAQUS有限元分析软件进行二次开发,建立了一套基于各向异性黏弹性本构模型的复合材料固化过程分析方法,计算所得固化变形量与试验值误差小于8.24%。其次,采用Hashin强度准则,建立了全复合材料无人机机翼的强度分析有限元模型,机翼失效载荷的预测值相对试验值误差为9.85%。随后,将复合材料固化过程中产生的残余应力作为初始应力条件添加到强度分析模型中,通过有限元方法研究残余应力对全复合材料无人机机翼强度的影响。为研究不同固化参数产生的固化残余应力对结构强度的影响,在合理范围内提出了另外2种固化工艺曲线。模拟结果表明：对于该全复合材料无人机机翼结构而言,固化残余应力导致强度下降,使其强度降低了3.52%,且较优的固化工艺参数下的结构强度比原始固化工艺参数下的结构强度高1...     

轻型无人机复合材料机翼设计分析与验证

基于轻型无人机复合材料的机翼,在选定机翼构件布局、材料和构型,建立机翼结构有限元模型的基础上,计算分析了机翼的静强度、应力分布,并对其进行试验验证。该方法对中小型复合材料无人机结构设计和静强度试验具有一定的参考价值。     

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。     

机翼整体油箱密封变形机理分析

<正>现代高性能飞机普遍采用机翼整体油箱结构,机翼整体油箱可以增大飞机燃油贮量,增加飞机续航时间、飞机航程,改善飞机的飞行性能。机翼整体油箱的结构除了满足结构设计的强度刚度要求外,还必须满足整体油箱的密封要求,油箱的密封设计与飞机的安全性能是紧密相关的,因此对整体油箱的密封变形进行深入分析,具有非常重要的工程实际意义。1典型盒段整体油箱缝外边缘变形分析整体油箱结构主要由上下蒙皮、桁条、前后梁、普通翼肋、加强翼肋等结构通过铆钉连接而成。由于复合材料整体油箱中蒙皮和桁条采用整体固化成形,不存在密封变形问题,因此主要考虑的是蒙皮壁板和梁、肋骨架之间密封     

剥蚀对飞机机翼上蒙皮疲劳寿命的影响分析

剥蚀是影响老龄飞机机翼结构完整性的重要因素之一.文中基于材料的初始不连续状态(initial discontinuity state, IDS),建立了评估剥蚀对机翼上蒙皮疲劳寿命影响的模型,然后利用AFGROW计算了在以压应力为主导的等幅载荷谱作用下,机翼蒙皮针对不同腐蚀损伤程度时的疲劳寿命.还研究了多腐蚀损伤对机翼蒙皮疲劳寿命的影响,结果表明,相对于单腐蚀损伤,多腐蚀损伤大大降低结构的疲劳寿命,但其对剥蚀程度不敏感.与试验结果比较表明,该模型预测结果精确,方法可靠.     

Mass and performance optimization of an airplane wing leading edge structure against bird strike using Taguchi-based grey relational analysis

Collisions between birds and aircraft are one of the most dangerous threats to flight safety. In this study, smoothed particles hydrodynamics (SPH) method is used for simulating the bird strike to an airplane wing leading edge structure. In order to verify the model, first, experiment of bird strike to a flat aluminum plate is simulated, and then bird impact on an airplane wing lead-ing edge structure is investigated. After that, considering dimensions of wing internal structural components like ribs, skin and spar as design variables, we try to minimize structural mass and wing skin deformation simultaneously. To do this, bird strike simulations to 18 different wing structures are made based on Taguchi’s L18 factorial design of experiment. Then grey relational analysis is used to minimize structural mass and wing skin deformation due to the bird strike. The analysis of variance (ANOVA) is also applied and it is concluded that the most significant parameter for the performance of wing structure against impact is the skin thickness. Finally, a validation simu-lation is conducted under the optimal condition to show the improvement of performance of the wing structure.     

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.     

一种面向翼面设计的气动弹性分析模型

在翼面早期设计阶段,为了快速有效地评估结构变化对力学和气动弹性特性的影响,亟需一种基于物理特征的结构分析模型.基于对多栅格式弹翼结构典型组件梁、肋腹板和蒙皮建模的相关研究,针对机翼结构,发展了针对梁、肋凸缘以及长桁的建模方法.对模拟边界条件的弹簧的刚度选取进行了详细研究,得到了刚度值的建议选取范围.将等效板模型推广应用...     

15米翼展太阳能飞机机翼颤振分析和刚度设计

太阳能飞机小刚度和大变形的特点导致其普遍存在颤振问题,因此有必要合理建立太阳能飞机的动力学模型并进行颤振分析。以国内某15米翼展太阳能飞机为研究对象,建立初始的动力学模型,然后根据目标颤振速度调节模型刚度,得到了与目标颤振速度匹配的机翼主梁刚度,从而实现太阳能飞机的动力学反向建模,并在此基础上进行颤振分析,形成完整的太阳能飞机颤振分析设计方法。结果表明:该机翼扭转刚度增大70%,其颤振速度可提高29%。本文方法可用于指导15米太阳能飞机的防颤振设计。     

涡轮叶片异型冠结构优化设计

在低压涡轮叶片异型冠结构设计研究的基础上,探索异型冠结构优化设计方法。为了达到减轻质量的目的,在传统锯齿冠结构的基础上提出异型冠结构的初步设计方案,并以软件UG NX为平台,实现带异型冠涡轮叶片的参数化设计。通过对异型冠结构参数的灵敏度分析,制定了涡轮叶片异型冠结构的双目标优化设计流程。该方法实现了在保证异型冠结构强度及刚度的前提下,叶冠质量最轻及叶冠质心位置最优调控的目标。优化结果表明:叶冠质量降低了53.05%,最大应力下降了43.41%,最大径向变形量下降了45.80%。      

中央翼复合材料后梁大开口补强设计与分析

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。复合材料中央翼后梁因制造性和维护性要求需要开孔,由于复合材料各向异性的特点,其开口加强结构设计比金属结构更为复杂。通过中央翼复合材料后梁大开口设计并开展试验研究,对飞机中央翼复合材料后梁开口结构设计提供技术支持。     

太阳能飞机翼肋结构拓扑优化设计

太阳能飞机翼肋结构轻薄且数量众多,其结构形式的合理性对于结构减重、机翼刚度设计等具有重要意义。基于现有太阳能飞机翼肋的结构形式,提出一种翼肋拓扑优化设计方法:首先,应用双向渐进结构优化法(BESO),以单元应力为判断指标,对太阳能飞机典型翼肋进行结构拓扑优化;其次,基于拓扑优化结果对翼肋进行结构细节设计;最后,通过有限元计算,验证翼肋的结构强度、刚度和静稳定性。通过本文方法,能够得到太阳能飞机翼肋更为合理的结构布局。     

用于飞机结构选材的系列材料性能指标及其应用

为提高飞机机体结构选材的合理性,从材料性能指标的角度出发,在材料比强度、比刚度的常用基本指标之外,结合飞机结构设计思想,提出了材料比疲劳强度、比静韧度、比动韧度、疲劳强度比、静韧强比、疲劳韧强比共6个材料性能指标的概念与计算方法。建立了基于系列材料性能指标的飞机结构选材方法,考虑飞机结构的设计准则及结构在实际使用过程中的功能需求,通过条件筛选缩小备选材料范围,依据系列材料性能指标进行材料对比排序,并通过结构验证确定最终选材。以某型飞机机翼大梁的选材过程给出了应用实例。     

结构刚度对翼根螺栓组载荷分布的影响

 由于静不定结构中载荷按刚度分配,对于机翼翼根采用螺栓组连接的结构,其连接螺栓承受的载荷会随结构刚度变化。为考察螺栓载荷随结构刚度的分布特点,结合某新型地效飞行器的机翼结构分析工作,在PATRAN/NASTRAN环境下对该机在翼根附近的主要结构进行了有限元建模。主要研究了因机翼剖面形状导致翼根各处刚度不一致而对螺栓载荷分配造成的影响。另外,考虑到中央翼的桁条对提高其支持刚度也会起到一定作用,因此,比较了中央翼带桁条与不带桁条两种情况下螺栓的受力特性。通过局部模型的有限元分析,总结出一些螺栓载荷的变化规律。得出的结论对于类似的地效飞行器或轻型飞机翼根连接设计具有一定参考价值。     

大展弦比复合材料机翼结构设计研究

针对大展弦比机翼结构的特点,选定蜂窝夹层、多墙式和一种新型混合式结构进行分析比较。进行了缝纫层合板和无缝纫层合板的冲击后压缩强度试验以及3种形式的复合材料蜂窝夹层板冲击后压缩稳定性试验。实验结果表明,缝纫可提高复合材料层合板冲击后压缩强度和屈曲临界载荷。对3种形式机翼结构进行有限元分析,计算结果表明,新型混合式结构具有明显的减重效果,并可实现一定比例的弯曲和扭转刚度设计。