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;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%.     

改进升力线理论和风洞试验结合的气动弹性修正方法

为了考虑具有大展弦比、弹性翼面结构的飞机翼面结构弹性变形对气动载荷分布的影响。介绍了一种基于亚声速稳态定常流改进升力线理论与风洞试验相结合的大展弦比亚声速飞机的弹性翼面气动力分布载荷修正方法,本方法在飞机翼面载荷设计中,考虑了弹性变形的影响,满足了飞机设计规范中对结构载荷设计的条款要求,对静强度和疲劳设计都有直接影响,对刚度设计和气动力设计优化有重要的反馈评估作用。     

用直观准则法的飞机翼面结构多约束优化计算

本文介绍应用直观准则法的翼面结构多约束优化计算程序SAFDOP。本程序可以分别对应力、位移、颤振和静气动弹性进行分析、优化和综合优化计算,采用约束轮换法进行综合优化计算。除应力约束采用满应力法外,其他各约束都采用均匀导数准则。为了实用,采用以元素链重量作为独立设计变量及在优化计算中自动筛选设计变量等方法,并考虑了初始数据的自动生成。用本程序计算了典型的歼击机机翼,取得了可以实用的结果。     

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。     

基于积叠线设计的弯掠叶片静强度优化方法

将叶片积叠方式作为结构设计的自变量,实现弯掠叶片的参数化建模,为适应优化设计的迭代要求,发展了一种能够自动更新的叶片有限元结构化网格模化方法。基于Voronoi图的自然邻点插值法,编制了高稳定性的气动载荷插值程序,可高效地完成流场分析结果向结构静强度分析中气动载荷的自动转换。引入子模型的思想对叶根边界条件进行等效处理,采用遗传算法建立基于叶片积叠线设计的自动优化方法,用以解决弯掠叶片静强度问题。通过高负荷弯掠叶片的工程实例应用,验证了优化方法的可行性和有效性,相对于初始设计,积叠线设计可以有效地改善叶片应力分布,应力幅值下降8.9%,使其满足静强度设计要求。     

先进舰载战斗机强度设计技术发展与实践

舰载战斗机是航空母舰上的主要武器,为满足舰面起飞、着舰和停放等要求,舰载机需围绕起落架系统、拦阻钩系统和翼面折叠系统等"特征结构"进行设计。先进舰载战斗机着舰冲击能量是陆基飞机的6倍以上、拦阻带来的水平载荷超过陆基飞机的15倍,因此特征结构的高载荷对强度设计提出了更高的要求。围绕舰载机"特征结构"及"特征载荷",开展了主要的设计工作,包括："特征载荷"计算,即起落架载荷、拦阻载荷和折叠载荷计算;"特征结构"的强度设计及试验验证,包括起落架系统、拦阻系统、翼面折叠系统的动力学仿真计算、静/疲强度分析、折叠翼面的非线性颤振分析以及综合试验验证;"特征载荷"对其他机体结构强度的影响分析,包括着舰载荷对起落架支撑结构强度的影响、拦阻载荷对后机身支撑结构强度的影响、拦阻着舰的全机动力学响应以及着舰载荷与拦阻载荷的共同作用对全机结构强度的影响;体现舰载机"特征结构"强度特点的试验验证方法等。上述研究成果已成功应用于先进舰载战斗机设计中。     

某型教练机框梁结构分析及尺寸优化

针对某型飞机框梁进行结构分析,应用有限元法和工程梁方法对梁进行强度校核,分析表明,梁强度不满足要求。本文采用工程上常用的尺寸优化方法对梁进行改进设计,优化后的结构在满足外界约束的同时,降低了梁最大应力,满足了强度要求。     

基于强度约束的叶片榫头参数化设计

针对榫头的设计要求,介绍了榫头的设计方法和过程.以榫头重量最轻和满足静强度约束为基点,确定榫头的控制参数,实现了人机交互的榫头参数化设计.     

复合材料面板全高度蜂窝翼面结构分析

针对复合材料面板全高度蜂窝夹层翼面结构,基于MSC. Patran/Nastran创建了翼面有限元模型,对均布载荷作用下的结构进行了仿真分析。结果表明:翼面结构最大位移2. 79 mm,曲屈载荷33. 7 kN。工程方法计算得到翼面结构曲屈应变1 308. 6με。静强度试验中实测翼面最大位移2. 81 mm。理论与试验相结合的方式分析夹层翼面结构,最大位移值偏差约0. 7%,证明了仿真分析模型的合理性,为该类型结构的工程应用提供了一定的参考。     

航空计算技术研究所建所35周年获奖成果项目

一、荣获部省级、国家级科技成果奖项目人造卫星的数据处理、定轨及预报方法的研究和程序设计翼面结构的满应力设计计算程序亚音速有限基本数值解的计算方法跨音速组合体气动力载荷计算研究     

基于满应力优化与有限元分析的机翼结构重量估算法

针对没有可供借鉴的重量评估经验公式来用于新式布局飞机研制的现状,为能够给出比较可信的结构重量估算,用于总体设计阶段飞机翼面结构重量指标分配,不仅对研制新机的概念设计与方案论证是十分重要的,也是必不可少的.本文开展了基于"变满应力"优化策略与有限元技术相结合的飞机翼面结构重量估算方法研究,并把这一求解过程搭建在具有自主知识产权的飞机多学科设计平台软件上.以具有大展弦比特征的"环球飞行者"外翼为例进行结构重量估算表明本文方法不仅可以获得用于总体设计阶段可信的重量结果,同时其中的部件尺寸、应力和位移数据还能为结构与强度专业人员提供一定的参考意见.最后,得出四点结论.     

钛合金超塑成形/扩散连接空心结构在空空导弹舵翼面上的应用

相对于传统金属机加或蒙皮骨架焊接结构,将钛合金超塑成形/扩散连接工艺方法应用于舵翼面空心结构的设计及其制造,在满足超音速气动加热和大载荷强刚度严苛的要求下,可显著降低超音速空空导弹舵翼面的重量(30%~50%)、提高导弹性能;并改善钛合金加工工艺性,缩短了生产周期,降低了生产成本,同时对超塑成形/扩散连接舵翼面结构设计、成形工艺、验证试验和质量控制等问题进行了探讨。     

翼面隐身结构电磁散射特性的数值模拟

隐身结构是指由蒙皮和多种内部材料组成的、能满足承载要求、并能明显降低雷达散射截面的结构。针对某无人侦察机隐身性能的要求,设计出两种低成本的翼面隐身结构方案。但由于隐身结构由多种媒质构成,其雷达散射截面(RCS)的计算和分析是个难题。应用时域有限差分法(FD-TD法)建立隐身结构电磁散射的数值模型,对两种低成本的翼面隐身结构方案的RCS进行了计算和比较分析。数值模拟结果表明,两种翼面隐身结构方案能有效降低翼面的RCS,并且翼面前、后缘和梁腹板之间填充的含有石墨的发泡聚苯乙烯对RCS值有很大影响。这一结论对隐身结构的优化设计具有指导意义。     

一种轻型直升机复合材料主承力管梁的强度分析与试验验证

根据某型直升机平尾主承力管梁的结构特点和受力特性,研制了一种全复合材料平尾主承力管梁结构。通过理论计算进行可行性分析,并采用MSC.Patran/Nastran建立了管梁有限元分析模型,根据实际载荷及约束条件进行了静强度分析,给出了结构应变与位移结果;同时设计了强度试验方案,对管梁结构进行静强度试验验证。结果表明:全复合材料主承力管梁结构满足强度设计要求,与金属材料相比,减轻了17.6%的结构重量,充分体现了复合材料管梁结构优良的整体性能和承载能力,为复合材料应用于直升机主承力结构提供了依据。     

航空发动机高负荷涡轮盘双辐板结构优化设计

转速高负荷重的涡轮盘是发动机重量大户,采用单辐板结构设计难以有效减轻重量。提出并建立了涡轮盘双辐板结构优化设计数学模型及方法,筛选了涡轮盘子午面形状设计参数,建立了应力约束条件,利用AN-SYS优化平台,编制了轮盘结构优化程序。针对典型高负荷涡轮盘结构优化问题,分别进行了单辐板盘和双辐板盘结构优化设计,结果表明,在满足轮盘变形、强度要求的条件下,双辐板盘比单辐板盘重量可减少25.3%,应力分布更均匀,说明对于高负荷涡轮盘,双辐板盘具有明显的优势。     

民用飞机复合材料舱门优化设计

复合材料因其具有比刚度大、比强度高、可设计性强等特点而被广泛应用到民用飞机结构上。针对宽体复合材料舱门设计方案，建立有限元模型进行初步分析，然后以刚度设计要求和强度设计要求为约束条件，对复合材料舱门结构的铺层比例进行了优化，达到了复合材料舱门的减重目的。优化后复合材料舱门的重量降低了10%以上，并且满足所有刚度和强度设计要求。本文所做研究为复合材料气密舱门减重提供了一种有效的方法，并且为类似结构的设计提出了参考建议，在工程上具有一定的指导意义。     

面向全疆域设计需求的某涡轴发动机核心机转子减重优化

为满足某涡轴发动机平原、高原、高寒以及海洋环境下的全疆域设计需求,综合采用尺寸优化和拓扑优化对核心机转子盘体形状进行了减重优化。首先提出了一种基于本征正交分解的径向基神经网络代理模型构造方法,通过在关键区域补充采样,在样本总数相当的前提下,提高了寻优效率,缩短了优化所需的时间。利用该方法对核心机转子盘体尺寸进行优化,优化后结构重量减轻,应力分布和强度储备更趋合理。然后采用变密度法对涡轮盘螺栓孔附近区域进行拓扑优化,得到一种带凸耳形状的螺栓孔创新构型,解决了由于优化后盘体减薄而导致的螺栓孔应力上升过多的问题。结果表明：在转子强度、寿命满足规范要求的前提下,优化后的核心机转子减重15%,满足了全疆域设计需求对转子重量的要求。     

微小型航空燃气轮机离心叶轮拓扑优化设计

离心叶轮是微小型航空燃气轮机中的关键部件,要求其在满足气动性能的前提下,尽量减轻结构重量,传统设计制造技术已基本发挥到极致,但增材制造技术及拓扑优化设计方法的发展为其进一步优化设计拓展了新的空间。针对某型航空微型燃气轮机离心叶轮减重设计问题,依托增材制造和拓扑优化设计技术,在现有设计的基础上,首先对离心叶轮进行静强度分...     

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。