复合材料加筋壁板结构布局快速优化设计方法

在建立复合材料加筋壁板刚度等效模型的基础上,总结了加筋板局部、总体失稳和筋条扭转失稳的理论计算方法,并将三类屈曲的临界屈曲载荷与设计载荷相等作为优化设计准则,得到了一种适用于不同筋条截面形状的复合材料加筋壁板结构布局快速优化设计方法。将该方法的优化结果与有限元分析结果进行对比,结果表明,该算法用于复合材料加筋壁板优化设计具有较高的准确性和效率,能够较好地满足工程需求。     

复合材料加筋盒段结构抗屈曲设计方法

主要研究了一种基于承载效率的机翼壁板结构快速化设计方法,首先,本文按照结构相似、载荷相似、材料相似的准则,对复合材料翼面结构模型进行抽象,拟合并构造出复合材料加筋盒段结构屈曲模型,尽可能还原出机翼壁板的真实受力条件;然后,绘制出筋条支持刚度曲线;最后,利用该经验曲线,进一步总结出一种基于结构效率的复合材料加筋盒段结构的屈曲设计方法,实现复合材料加筋板中加强筋的布局与尺寸优化,并应用于某支线客机的中央翼结构设计中,验证该设计方法的正确性。该种方法主要应用于机翼壁板结构的尺寸和布局优化设计,结合了经验法和代理模型方法,具有效率高、模型小、通用性强等诸多优点。     

复合材料机身帽型长桁加筋壁板压缩屈曲及失效特性研究

大型客机机身壁板材料现已广泛采用碳纤维复合材料,研究壁板的屈曲及失效特性对提高结构设计效率具有重要的意义。采用工程分析、有限元分析和试验三种方法研究压缩载荷下复合材料机身帽型加筋壁板的屈曲载荷、失效载荷和失效模式;通过工程方法和有限元方法研究压缩载荷下壁板的屈曲形式和载荷,采用 Von Karman 法修正的柱失稳方法研究壁板在压缩载荷下的承载能力;依靠先进的机身壁板多轴载荷试验系统完成 3 m×2 m 机身壁板的压缩载荷试验、压缩充压复合载荷试验,验证并完善工程和有限元分析方法。结果表明：屈曲分析时需要对工程分析和有限元方法进行修正,失效分析时采用修正的柱失稳方法的分析结果比试验结果略保守。     

复合材料机身壁板的纵向连接设计与失效分析

按照连接设计准则及机身压差载荷水平,开展了复合材料机身壁板的纵向连接设计研究。为提高壁板多钉连接结构分析精度及设计效率,发展了一种基于Fastener单元的钉群载荷计算方法,在此基础上结合单钉失效分析模型,提出了一种壁板多钉连接区的失效评估方法。首先,通过与试验数据对比,验证了采用Fastener单元求解钉群载荷的可行性;然后运用Fastener单元分析壁板连接结构的钉载分配;最后基于钉载分析结果,对局部危险区域采用单钉模型进行失效载荷计算并进而评估壁板连接区的失效载荷。本方法特别适用于快速、有效地校核多钉连接区的连接强度。     

复合材料机翼下壁板对接区设计与分析

机翼对接设计是飞机结构设计的一个重要环节,其设计的好坏关系到飞机的飞行性能和使用安全性能。基于国外先进民用客机外翼与中央翼的对接结构形式,设计了两种复合材料机翼下壁板的对接形式,并对其连接强度和失效模式进行了研究。利用商业有限元软件ABAQUS结合内聚力单元模型,模拟壁板蒙皮/缘条界面的失效,并获得不同对接形式构件的脱胶起始位置;通过引入Hashin失效准则的有限元模型研究拉伸载荷下对接构件的承载能力,并校核了螺栓强度;最后,比较分析了两种构件的最终失效模式,为复合材料关键连接区的细节设计提供一种有效的方法。     

飞机典型复合材料加筋壁板结构稳定性及破坏强度分析

为考察飞机典型复合材料加筋壁板结构的稳定性及破坏强度,本文将计算在轴压载荷下,复合材料加筋壁板结构的失稳载荷及破坏载荷。通过对稳定性试验、有限元计算、工程算法3种方法结果的比较,摸清复合材料加筋壁板在轴压载荷下的稳定性和极限承载能力,找出壁板失稳规律,为今后的复合材料加筋壁板稳定性计算提供理论依据。     

民用飞机后机身壁板控制失效模式和控制载荷工况分析

为了明确载荷对典型民用飞机的后机身加筋壁板结构设计的影响,建立低平尾式飞机后机身的有限元模型,计算分析了壁板的应力应变分布,计算分析了壁板不同区域的控制载荷工况、控制失效模式。通过对比不同失效模式各自所占的比例,证明后机身壁板结构的主要失效模式是屈曲以及最大应变准则。通过对比不同控制载荷工况各自所占的比例,选出后机身壁板结构的主要控制载荷工况。     

民用飞机外翼、中央翼下壁板对接结构分析及试验研究

对接结构设计是飞机机翼结构设计的重要环节,其设计的优劣关系到飞机的使用寿命和安全性能。在分析国外先进民用客机外翼与中央翼对接结构型式的基础上,设计了两种机翼下壁板与对接肋的连接型式,并对其连接强度和失效模式进行了研究。利用商业有限元软件ANSYS研究拉伸载荷下对接结构的承载能力,根据计算结果针对对接型式进行试验研究,研究其破坏模式及钉载分配。最后,比较分析了两种不同结构型式的破坏模式和载荷分配,为关键连接区的结构细节设计提供方法支持。     

大型机翼整体壁板系统化喷丸成形技术

大型机翼整体壁板是现代大型飞机重要的大型承力整体结构件并且通常直接构成飞机的气动外形。喷丸成形是现代大型轻质高强铝合金整体壁板件成形制造的首选技术方法，但如何实现大型机翼整体壁板的精确喷丸成形一直是现代航空制造技术领域的一个难点问题。针对这一工程问题，本文采用系统化的方法，将影响大型机翼整体壁板喷丸成形精度的因素分解为壁板平面板坯误差、成形参数设计准确度、成形参数控制精度、环境因素。针对这些因素，采用基于变形位能最小的板坯优化设计来减小由板坯导致的成形误差；采用数据拟合、人工神经网络以及解析模型计算相结合的喷丸成形参数综合设计方法来提高喷丸参数设计的精度和效率；建立了板坯修正模型以修正环境温度、喷丸设备参数波动等因素对成形件形状和尺寸的影响；对于从喷丸设备上下线后仍存在的外形贴模误差，则采用手提喷丸机进行局部的渐进式校形喷丸至外形贴模。壁板喷丸成形的工程实践表明，本文所提出的系统化方法能够有效提高大型机翼整体壁板喷丸成形的精度和效率，并可满足工业生产的需求。     

加筋复合材料壁板失稳后持续承载能力研究

文中通过拟协调层板单元的复合材料壁板非线性理论分析,并通过帽形长桁专项分析模型对加筋复合材料壁板稳定性/失稳后,持续承载分析失效模式与损伤演化,进行理论研究和仿真模拟。结合盒段级试验结果,全方位验证理论计算结果,并摸清结构破坏模式,为最大限度发挥材料结构承载能力,提高结构效率,提升质量控制能力、完善轻质高效结构稳定性/失稳后持续承载设计体系,提供必要的数据支持和技术参考。     

大型壁板自动钻铆定位误差分析与优化

在机翼大型壁板自动钻铆工艺中,由于定位误差较大,壁板实际位姿和理论数模位姿之间难以建立精确的映射关系,而现有补偿工艺流程复杂,导致装配效率较低。着眼于工装设计补偿,针对大型壁板自动钻铆定位误差控制问题展开定位误差溯源分析和定位点布局优化。首先,根据自动钻铆工艺流程进行定位误差溯源,分析其误差的来源及传递机理;其次,将定位误差分为刚性误差和柔性误差两部分,采用Monte-Carlo法模拟刚性定位误差的分布,通过齐次坐标变换分析刚性误差的传递过程,利用有限元虚拟仿真计算关键特征点的柔性变形误差;再次,集成刚性误差与柔性误差,基于统计学思想讨论特定置信度下的定位误差分布规律;然后,基于脚本语言开发Abaqus参数化模型,通过Isight进行后台调用及赋值规划,实现基于带精英策略的非支配解排序遗传算法(NSGA-II)的定位点布局多目标优化;最后,以某型飞机机翼上侧壁板的一号组件为实例,验证了该方法的可行性。     

飞机翼面结构布局综合设计方法研究

为了探讨飞机翼面结构主要纵横骨架的最佳布局问题,并提供符合工程实际的、用于概念设计阶段的飞机结构设计方法,本文采用分级优化与集成的策略,该策略分为3个层次。第一个层次为拓扑优化,并由此确定纵向骨架的个数与位置的最优布局;第二个层次为尺寸优化,它用来确定翼面的中间参数;第三个层次为稳定性准则优化,它确定横向骨架的个数与位置的最优布局。在分级优化的3个层次中,拓扑优化是独立的,尺寸优化与稳定性准则优化是相互耦合的。以国外某飞机机翼为例,结果表明本文提出分级优化的思路与所采用的集成方法是可行的,并且具有很好的数值效果。作者认为：它对从事飞机结构设计的人员有一定的指导性和参考价值,值得在飞机设计部门推广应用。最后,总结给出5点结论供参考。     

Aeroelastic two-level optimization for preliminary design of wing structures considering robust constraints

An aeroelastic two-level optimization methodology for preliminary design of wing struc- tures is presented, in which the parameters for structural layout and sizes are taken as design vari- ables in the first-level optimization, and robust constraints in conjunction with conventional aeroelastic constraints are considered in the second-level optimization. A low-order panel method is used for aerodynamic analysis in the first-level optimization, and a high-order panel method is employed in the second-level optimization. It is concluded that the design of the abovementioned structural parameters of a wing can be improved using the present method with high efficiency. An improvement is seen in aeroelastic performance of the wing obtained with the present method when compared to the initial wing. Since these optimized structures are obtained after consideration of aerodynamic and structural uncertainties, they are well suited to encounter these uncertainties when they occur in reality.     

基于蒙皮内形定位的飞机壁板柔性装配系统

针对飞机壁板数字化、柔性化制造需求,提出一种基于蒙皮内形定位的飞机壁板柔性装配方法,通过有限元参数化建模,应用蒙皮支撑点寻优算法,实现卡板布局优化设计。根据壁板组件各零件的定位要求,详细设计了壁板柔性装配系统中长桁、蒙皮、角片的柔性定位方式,开发了基于EtherCAT总线的分布式网络控制系统用于完成整个壁板的装配。本系统实现了在一套柔性装配系统上完成4块壁板的装配,改变了传统固定式工装设计思维,对飞机壁板柔性装配技术的发展具有重要意义。     

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。     

超临界机翼多目标气动优化设计的策略与方法

超临界机翼的气动设计十分复杂,往往需要借助于有效的优化手段。然而,优化方法本身往往无法直接表达真实完整的设计意图,因此需要将工程需求和约束转换为优化方法所能处理的数学形式。本文首先探讨了梯度优化方法和进化类优化方法在气动优化中的表现。之后简要总结了前人在飞机气动设计中提出的准则和要求,并基于压力分布形态定义了超临界机翼气动设计的关键特征及定量要求,探究其在超临界机翼气动优化设计中的应用效果。研究结果表明,在多目标优化中引入面向压力分布形态特征的目标和约束,能有效引导优化体现工程设计思想,进而提高优化效率。     

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。     

多学科设计优化在非常规布局飞机总体设计中的应用

以飞翼布局飞机总体设计为例,展示如何将多学科设计优化(MDO)方法有效地应用于非常规布局飞机总体设计.基于二级优化方法,提出一种飞机总体MDO实施流程.该流程包括系统级优化、子系统级优化(或评估)和多学科模型生成器3个部分.系统级优化的任务是优化全局设计变量,使系统目标最优.子系统级优化涉及的学科包括气动、隐身、结构、...