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。     

基于拓扑和尺寸优化的翼肋类结构设计研究

开展了以机翼翼肋为模型的布局与尺寸优化设计,在结构优化的过程中,采用两级优化的设计方法。第一级采用拓扑优化,应用变密度法,由此得到了翼肋大致构形及其挖孔位置;第二级采用尺寸优化,将复合形法与NASTRAN的方向法相结合,分别优化出翼肋上杆的截面积和肋板各部分的厚度,两者相互结合,最终完成了翼肋结构的布局优化设计。对普通肋板和优化之后的肋板在性能参数上做了对比研究。结果表明：经过结构优化,结构材料的质量减少约30%（自定义约束条件）,同时,结构自身的刚度,强度等性能参数有很大改进,验证了文中算法在减重方面是可行和有效的。     

基于应力约束的翼肋拓扑优化和软件二次开发

翼肋主要作用是维持机翼外形,对于机翼的总弯曲刚度贡献较小,但是翼肋的重量却在翼盒的结构重量中占有相当大的比例（一般为8％～12％）,因此有必要通过一定的结构优化方法减轻翼肋的结构重量。在MSC．PATRAN平台上二次开发了应力约束全局化的拓扑优化方法,并首次将该方法应用于翼肋的拓扑优化;采用了一套工程估算方法,可用于翼肋的初步设计和快速重量估算。结果表明：在满足稳定性要求的情况下,经过拓扑优化的翼肋结构减重效果明显。     

目标气动特性下动力翼参数影响分析与优化

基于一种以弦向环量分布为目标的分布式动力翼（DPW）二维反设计方法,对比分析了在保持升力和俯仰力矩不变的条件下,动力翼涵道壁弦长和弦向位置对设计结果的影响;进一步以壁面阻力、桨盘入流总压损失和速度分布畸变最小为目标,开展了分布式动力翼二维外形优化设计。结果表明,反设计示例结果的弦向环量分布与目标值的平均相对误差为0.058 7;在涵道壁参数影响分析中,将同一弦向总环量分布作为反设计目标以保持相同的设计升力和俯仰力矩,当固定涵道壁弦长并使其弦向位置前移,或当固定涵道壁后缘位置并使其弦长增加时,动力翼的壁面阻力降低,升力系数随迎角变化斜率升高,俯仰力矩随迎角变化斜率由负变正;在优化分析中,优化后的二维动力翼涵道壁位置前移,壁面阻力系数下降了160%,同时桨盘入流总压基本没有损失,速度分布均匀性则进一步提高。     

插入式机翼下壁板对接附加弯矩研究

插入式机翼下壁板对接具有双剪传力稳定、疲劳性能好的优点,但其结构中心线在对接区变化明显,会带来附加弯矩。为尽量减小对接区的附加弯矩,提出了在建立飞机骨架模型时即优化中央翼下翼面外形面相对外翼下翼面的位置方法。基于插入式机翼下壁板对接结构的特点,阐述了对接结构偏心的来源和附加弯矩的形成;针对某A型飞机的对接结构计算了偏心值,并利用力法对附加弯矩在对接区的分布进行了计算分析。以某A型飞机的对接结构为基础,建立了4组插入式下壁板对接结构的模型,每组模型的中央翼下翼面位置相对外翼的不同;分别用力法和有限元法对附加弯矩进行了计算。结果表明：可以通过优化中央翼下翼面外形面的相对位置达到减小对接区附加弯矩的目的。描述了另外两种下壁板对接形式的附加弯矩情况,并和插入式的进行了简单比较。最后,总结了为减小区域附加弯矩及其不利影响在对接结构设计上需要注意的点。     

基于耦合伴随方法的串/并行气动结构优化设计对比

采用RANS方程、线性有限元分析手段、映射点局部插值方法和逆距离动网格技术对气动和结构之间的耦合现象进行了分析。然后基于气动结构耦合伴随方法,对气动和结构设计变量梯度进行了高效求解。最后结合自由曲面变形技术、梯度优化方法构建气动结构优化设计框架。选取飞翼布局民用客机开展气动结构串行与并行优化设计研究。在相同阻力水平的前提下,并行优化结果比串行优化获得了8.4%航程收益和8.3%结构质量收益。同时,串行优化设计结果在中翼段上翼面仍然存在明显激波,而并行优化结果呈现光滑的等间距等压线分布特征。因此并行气动结构优化设计方法可以充分挖掘气动结构耦合下的设计潜力,更有利于对大柔性气动结构优化设计问题进行研究。      

用于叶片减振的压电材料分布拓扑优化

提出一种可用于实际叶盘结构的压电分支阻尼器拓扑优化方法,可以给出总质量受约束的压电材料在叶片上的最佳分布,达到尽可能大的模态阻尼比。通过理论推导说明:压电阻尼器所产生的模态阻尼比仅取决于模态机电耦合系数,且该系数只与压电材料的几何形状以及模态应力场有关。进一步结合压电本构关系,基于应力分量的线性加权给出了有限的压电材料在叶片上铺设位置“优先级”的判断指标。给出了基于叶盘结构有限元模型的压电材料拓扑优化方法,通过替换单元类型和材料参数的方式对压电材料进行布置,并给出了多模态族优化、极化方向设置、电极铺设等问题的解决方案。在一个接近真实的叶盘模型上应用了此优化方法。结果表明,仅使用质量占叶片质量10%的压电材料,就可以为多个模态提供约12%的阻尼比。      

基于仿生的大展弦比机翼结构布局形式研究

为了探讨大展弦比直机翼的结构布局形式,本文借鉴自然界中的鱼骨与树叶的叶脉形式,利用有限元分析与满应力优化作为设计手段,对3种不同的结构布局形式(A构型、B构型和常规构型)开展基于强度、刚度以及质量条件限制下有关响应的对比研究。计算结果表明:在不同尺度的等质量条件限制下,“A构型”弯曲刚度最大,扭转刚度居中;“B构型”弯曲刚度居中,扭转刚度最小;“常规构型”弯曲刚度最小,扭转刚度最大。分析结果证明,机翼的翼肋布置应该“适当地”倾斜。最后给出3点结论。     

双后掠布局无人机翼面结构设计与分析

对双后掠布局无人机进行了结构设计,确定了翼面结构方案,并利用有限元软件MSC.Nastran进行应力变形分析,结果达到设计要求;同时为了节省计算周期,以布局外形参数设置为驱动参数,使用CAD软件Catia为结构建立了参数化模型,并将其作为结构优化的输入文件,通过Patran完成优化设置,用Nastran完成结构质量优化,这些工作为气动结构一体化设计奠定了基础。     

伸缩弹翼巡航导弹气动外形优化研究

基于一种伸缩弹翼改变巡航导弹外形的概念,提出超声速巡航与亚声速盘旋相结合的飞行任务,使用Missile Datcom作为气动计算的工具,分别对固定翼、两级伸缩翼和三级伸缩翼的外形参数进行了优化,使三种不同弹翼导弹完成相同飞行任务的燃料消耗分别最小,优化方法选取遗传算法与模式搜索法相结合的混合优化策略.优化结果显示,两级、三级伸缩翼巡航导弹相对固定翼巡航导弹燃料消耗量分别减少7.8%和12%,表明伸缩弹翼有效提高了巡航导弹在整个飞行任务中的气动性能.     

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。     

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。     

Realization of an optimized wing camber by using formvariable flap structures

According to market research predictions, a large growth in the number of passengers as well as airfreight volume can be expected for the civil transport aircraft industry. This will lead to an increased competition between aircraft manufacturers. To stay competitive it will be essential to improve the efficiency of new generation of aircraft. Transonic wings of civil aircraft with their fixed geometry offer an especially large potential for improvement. Such fixed geometry wings are optimized for only one design point, characterized by the following parameters: altitude, mach number and aircraft weight. Since these vary permanently during the mission of the aircraft the wing geometry is rarely optimal. As aerodynamic investigations have shown, one possibility to compensate for this major disadvantage lies in the chordwise and spanwise differential variation of the wing camber for mission duration. This paper describes the design of a flexible flap system for an adaptive wing to be used in civil transport aircraft that allows both a chordwise as well as a spanwise differential camber variation during flight. Since both lower and upper skins are flexed by active ribs, the camber variation is achieved with a smooth contour and without any additional gaps. This approach for varying the wing's camber is designed to be used for replacement and enhancement of a given flap system. In addition, the kinematics of the rib structure allows for adaptation of the profile contour to different types of aerodynamic and geometric requirements.     

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。     

客舱地板斜撑杆对民机典型机身段耐撞性能的影响

针对一类具有客舱地板下部斜撑杆的民机典型机身段,研究了斜撑杆对机身段耐撞性能的影响。建立了客舱地板及其下部结构的有限元模型,客舱地板以上的框段结构、乘员质量和座椅被简化为刚性质量块。分析了斜撑杆为开孔/不开孔开剖面结构、斜撑杆剖面尺寸变化以及无斜撑杆和刚性斜撑杆情况下,机身段在坠撞速度为7m/s时的冲击特性。对比分析了各种情况下座椅位置处的加速度-时间历程曲线、机身段的破坏模式和能量吸收情况。结果表明存在合适刚度的斜撑杆,使该类型机身结构具有良好的耐撞毁性能,而增加或减少斜撑杆刚度均有可能产生多次高过载。     

民机机翼千斤顶顶升装置分析

千斤顶顶升情况是民用飞机在进行维修、更换零部件时必须考虑的一个状态。对民机顶升的相关适航条款进行了理解;对B737及A320的机翼顶升装置进行了总结对比,通过传力分析,比较了其优缺点。两种机型的传力方式稍有不同：B737机翼顶升载荷的垂直分量由加强肋承担主要传递到前梁,水平分量通过挤压由下壁板承担;A320机翼顶升载荷...     

轴流风机中支板通道的流动分析及改进

采用了NUMECA FINE软件包Euranus求解器对轴流风机电机支板内部流动进行了全三维数值模拟,结果表明电机支板的安装对风机的性能具有较大的影响.根据计算结果对支板结构进行了改型设计,并对改型后轴流风机的气动性能进行了数值计算,改型结果表明,采用改型后的支板结构使得整个流量范围内风机的效率有所提高,电机支板内部流动损失明显减小,流动更加合理.