Whole-process design and experimental validation of landing gear lower drag stay with global/local linked driven optimization strategy

Landing gear lower drag stay is a key component which connects fuselage and landing gear and directly effects the safety and performance of aircraft takeoff and landing. To effectively design the lower drag stay and reduce the weight of landing gear, Global/local Linked Driven Optimization Strategy (GLDOS) was developed to conduct the overall process design of lower drag stay in respect of optimization thought. The whole-process optimization involves two stages of structural conceptual design and detailed design. In the structural conceptual design, the landing gear lower drag stay was globally topologically optimized by adopting multiple starting points algorithm. In the detailed design, the local size and shape of landing gear lower drag stay were globally optimized by the gradient optimization strategy. The GLDOS method adopts different optimization strategies for different optimization stages to acquire the optimum design effect. Through the experimental validation, the weight of the optimized lower dray stay with the developed GLDOS is reduced by 16.79% while keeping enough strength and stiffness, which satisfies the requirements of engineering design under the typical loading conditions. The proposed GLDOS is validated to be accurate and efficient in optimization scheme and design cycles. The efforts of this paper provide a whole-process optimization approach regarding different optimization technologies in different design phases, which is significant in reducing structural weight and enhance design precision for complex structures in aircrafts.     

飞机复合材料起落架舱门优化设计

蜂窝夹芯复合材料逐渐取代铝合金成为舱门的首选材料,其刚度设计及结构减重在飞机的结构设计中十分重要。通过参数化建模建立了蜂窝夹芯结构复合材料舱门的有限元模型,并进行起落架舱门的模拟计算。在打开和关闭两种工况下以刚度和强度为约束,优化舱门的几何结构和复合材料参数。建立代理模型后采用多岛遗传算法和序列二次规划相结合进行优化,实现了蜂窝夹芯结构复合材料舱门的优化设计。通过优化设计,所得到的舱门比原铝合金舱门具有更高的强度和刚度。优化后复合材料舱门重量比优化前下降了11.5%,比铝合金舱门减少了39.6%,起落架舱门总重量明显降低。同时,建立代理模型后再优化的方法优化效率高,解决了多优化变量下找不到最优解的问题。     

复合材料螺旋桨结构多目标优化设计

在螺旋桨桨叶结构设计的工程实践中,减轻重量和增加扭转刚度是两个主要目标,而复合材料的应用增加了螺旋桨结构的可设计性。以某复合材料螺旋桨为例,基于有限元方法,以桨叶的复合材料铺层数量与铺层角度为优化设计变量,以螺旋桨桨叶强度、弯曲刚度为约束条件,采用快速非支配遗传算法(NSGA-Ⅱ)对该复合材料螺旋桨进行多目标优化设计。得到了关于两个目标函数的帕累托解集,即综合考虑桨叶质量与扭转刚度两个指标的最优设计参数集。本文为复合材料螺旋桨的结构设计提供了一种有效的思路。     

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。     

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。     

惯导系统结构拓扑优化方法研究

针对惯导系统结构拓扑优化问题,提出了一种考虑多工况组合和等效边界处理的优化方法.以惯导系统结构件为研究对象,梳理了不同结构件的载荷工况;以刚度最大为 目标函数,以体积分数、结构频率和最大变形等作为约束条件,研究了变密度拓扑优化方法;以某惯导系统的盖板、惯性台体和外壳体3个结构件为例,进行了优化方法验证.结果表明,与传统设计相比,在满足系统刚度、频率及动态特性的前提下,优化后的3个结构件质量分别减小18.3％、22.6％和18.0％,整体质量减小18.7％,实现了惯导系统结构的轻量化设计.     

基于Workbench的主起落架车架前轮叉应力分析及结构优化设计

针对某型飞机主起落架车架前轮叉根部多次出现疲劳裂纹,前轮叉作为主起落架车架的关键件,其性能优劣严重影响起落架的安全性。利用ANSYS Workbench仿真软件对其结构进行应力分析,得到其薄弱部位,利用拓扑优化和多参数优化相结合的方法对其结构进行优化和对比分析。分析得到的薄弱部位与实际使用情况相吻合,优化后的结构合理,受力明显改善,质量比优化之前减少了17.3%。     

优化驱动的起落架结构设计方法

起落架结构是飞机上最复杂最重要的结构之一,传统的设计方法依靠人工经验反复迭代,没有充分利用结构优化技术,具有设计周期长且不能最大限度得到最优设计的缺点。根据结构优化技术的发展,提出了优化驱动的起落架结构设计方法,实现了优化驱动的设计方法在起落架领域的完整工程应用。结构优化技术作为整个设计流程的驱动者,在其中发挥贯穿全程的主体作用,根据不同设计阶段的需求,先后运用拓扑优化、尺寸优化和形状优化技术。以某型飞机前起落架外筒的设计为例可以发现,相比传统设计方法,新方法在相同的设计约束条件下,能更快得到设计方案,结构质量减少了24.1%,实现了起落架结构的快速设计和轻量化设计。     

航空电子设备安装支架的刚度与频率优化设计

航空电子设备用于飞行中的数据采集,通常使用安装支架固定于机头雷达罩,研究安装支架的刚度和一阶频率性能,避免设备支架在飞行过程中出现塑性变形和共振现象,对提高飞行稳定性具有重要的工程意义。在惯性载荷下对安装支架进行静强度和模态分析,采用一种灵敏度分析方法确定安装支架的设计变量,以结构总质量最小为优化目标,在保证安装支架的刚度和一阶模态性能的前提下对支架各个构件的厚度进行优化设计,并对优化后的安装支架结构进行振动试验。结果表明：优化后的安装支架结构刚度基本保持不变,一阶频率提高了18.09%,质量减少了19.33%,改进设计满足设备安装要求。     

轮胎刚度特性对大型民机前起落架摆振影响研究

轮胎刚度作为轮胎动力学模型的重要参数之一,研究其对大型民机前起落架摆振的影响规律,可以从前起落架防摆设计的角度为轮胎刚度设计提供参考依据。基于前起落架摆振非线性数学模型,使用Matlab/Matcont 软件计算不同轮胎扭转刚度、轮胎侧弯刚度下的摆振区域图;研究轮胎扭转刚度、轮胎侧弯刚度对前起落架摆振的影响规律,并对比二者对前起落架摆振影响的敏感度。结果表明：对前起落架摆振影响的敏感性,轮胎扭转刚度大于轮胎侧弯刚度;轮胎回正力矩系数每减小1%,扭转摆振最大临界阻尼减小0.88%,侧向摆振中速区最小临界减摆阻尼增大33.87%;减小轮胎扭转刚度,增大轮胎侧弯刚度有利于抑制大型民机前起落架摆振。     

主动控制起落架滑行性能分析

建立了主动控制起落架的非线性振动模型,并通过建立系统的状态方程和合理的目标函数,使系统的综合性能达到最优。通过数值模拟计算,对主动控制起落架和被动起落架的滑行性能进行了比较。     

仿生四足六旋翼无人机自适应着陆性能分析

旋翼无人机在民用和军用领域被广泛应用,但传统撬式起落架在复杂地形下难以起降,为了扩大旋翼无人机的降落面积和应用范围,设计一种仿人腿式两级缓冲自适应起落架。通过对仿生腿的正逆运动学分析,提出一种自适应起落架姿态调整策略;建立仿生四足六旋翼无人机着陆动力学模型,基于多体动力学软件sim?center 3D 开展了着陆动力学仿真,并与传统撬式起落架进行着陆性能对比研究。结果表明：着陆腿式的两级缓冲自适应起落架及其姿态调整策略,能够使滚转角减小95.69%,过载系数降低34.06%,两级缓冲自适应起落架在面对复杂地形时具备主动调节姿态安全着陆的地形适应能力和极好的减震缓冲能力。     

基于MDNastran的多工况复合材料T尾优化研究

T尾是典型的民用飞机或运输机气动布局形式之一,寻求满足刚度、强度、稳定性约束条件下的结构轻重量是结构方案设计阶段的主要工作任务。利用复合材料弹性优化剪裁技术,运用Nastran软件系统,在细致建立有限元数值分析模型基础上,将梁和杆面积、板壳厚度以及复合材料铺层厚度作为优化变量,进行了结构优化,结果表明：结构各部件重量有所降低。为了考察给定的典型复合材料铺层角布置的合理性,引入复合材料的单元材料方向作为优化变量进行再次优化。优化结果表明：虽然增加材料方向作为优化变量能够使结构重量较初次优化有所降低,但是考虑到制造工艺要求,典型复合材料铺层布置也是合理的。     

起落架结构损伤容限特性研究

扼要地介绍了对某型主起落架结构的损伤容限特性研究。用同~个起落架完成了从疲劳裂纹形成到裂纹扩展、以及剩余强度和结构总体破坏试验全过程。损伤容限设计用于该起落架结构,可以获得更安全可靠的保证。     

航天飞机起落装置设计研究

 本文介绍单级入轨航天飞行器地面加速器和垂直起飞、水平起飞飞行器着陆装置的设计,包括:地面加速器的设计要求;系统组成;功能和性能以及着陆装置的结构强度;着陆载荷;设计要求和重量分配。     

某型民用运输机主起落架连接区结构静力试验

飞机静力试验是飞机试验的重要内容之一,是验证飞机结构强度和静力分析正确性的重要手段。为验证某型民用运输机主起落架连接区结构满足静强度要求,以及有限元计算分析的正确性,在静力试验飞机上进行了主起落架连接区结构静力试验。通过全机有限元模型和细节有限元模型分析计算,进行加载、应力\应变、位移试验数据与有限元计算值的分析对比,计算值与试验数据符合较好。     

在落震试验中起转和回弹载荷的模拟情况对试验结果的影响

起转和回弹载荷的模拟是影响起落架落震试验结果的重要因素。通过在立柱式落震试验台上进行不同模拟跑道的起落架带转落震试验,得到了某些典型起转和回弹载荷模拟情况下的落震试验结果。通过对这些落震试验结果进行分析和讨论,得出了在立柱式落震试验台上进行落震试验时合理的起转和回弹载荷的模拟方式。研究结果表明 :在立柱式落震试验台上进行起落架落震试验时,使用合理的起转和回弹载荷的模拟方式,可以将机轮与模拟跑道之间定点摩擦对试验结果的影响减到最小。     

垂直起降运载火箭返回轨迹不确定性优化

针对垂直起降运载火箭一子级在返回着陆的过程中存在的参数不确定性,提出了一种基于非侵入式多项式混沌展开的序列优化和可靠度评估的返回轨迹不确定性优化方法。首先,建立了返回多飞行段轨迹在确定性条件下的优化模型。然后,为同时兼顾轨迹的鲁棒性和可靠性,建立了由鲁棒最优目标函数、基于可靠度的路径约束和鲁棒等式约束组成的不确定性返回轨迹优化模型。最后,基于非侵入式多项式混沌展开方法对鲁棒目标函数和等式约束进行量化处理,将原随机鲁棒优化问题转化为高维状态空间中的等价确定性优化问题;为提高路径约束的可靠度评估效率,基于非侵入式多项式混沌展开方法对最可能点法进行改进,进一步发展了序列优化和可靠度评估策略。数值仿真结果表明,所提出的不确定性优化方法具有较好的鲁棒性,可以满足工程可靠性指标要求,同时还具有较高的精度和计算效率。     

主起落架纵向抖振的动态特性研究

通过建立主起落架及各元件的力学计算模型,对其在纵向抖振过程中的动态特性进行了动力学仿真研究 ;给出了反映其动态特性的仿真曲线 ;讨论了主起落架支柱刚度等结构参数对主起落架纵向抖振的影响     

航空发动机中“W”形金属密封环的设计方法

针对密封性和强度,对“W”形金属密封环的压缩率选取范围进行研究。在压缩率确定的基础上,优化“W”形金属密封环所在处机匣的轴向间隙,探究“W”形金属密封环关键结构参数对强度的影响,基于灵敏度分析对“W”形金属密封环的结构参数进一步优化;研究“W”形金属密封环屈曲及轴向刚度间的关系,并采用刚度实验校核模拟结果,为评估屈曲临界载荷提供支持。结果表明:在该典型工况下,“W”形金属密封环的压缩率合理范围为3.2%～6.08%;壁厚对最大等效应力影响最大,最终优化结果为壁厚增大5.0%,波峰、波谷半径增大9.0%,接触半径增大7.7%,圆环外径减小5.8%,最大等效应力减小5.7%;屈曲“W”形金属密封环载荷与轴向刚度线性相关。