机翼结构布局优化的并行子空间方法

机翼内部构件的布局优劣在很大程度上影响着机翼结构质量,因此进行布局优化设计尤为重要。采用并行子空间方法求解机翼结构布局优化的问题,将机翼结构布局设计问题分为梁站位优化、桁条优化和厚度优化三个并行的子空间,设计变量在各自的子空间内单独优化;各子空间优化结束后,在系统级中协调三个子空间的设计变量,保持最小质量的子空间的优化变量不变;采用近似一维搜索的方法协调其他子空间的设计变量,然后进行变量迭代直至收敛。结果表明:该方法具有较高的优化效率,能够取得较好的优化结果,具有实际工程应用价值。     

飞机多学科设计优化中的并行多目标子空间优化框架

 针对现有的并行子空间优化框架存在的各子空间仅能有一个优化目标等局限,提出了并行多目标子空间优化框架。该框架将各个学科的优化问题由以往的单目标优化改进为多目标优化,使得每个子空间可以分配到多个优化目标、各子空间的设计变量可以重叠,并且在一次优化中就可获得优化问题的Pareto前沿。介绍了新框架的基本思想和流程,并且阐述了新的学科解耦、子空间的并行优化和系统级的设计变量综合方法。以一个飞机总体设计问题为例,考虑气动、隐身与控制学科,对翼面几何参数和控制律参数进行了优化设计,验证了并行多目标子空间优化框架的有效性和相对于已有方法的优势。     

复合材料加筋筒段压载荷承载能力优化

复合材料加筋筒段是航空航天领域广泛采用的结构构形,其结构形式决定了重量及承压能力。为了研究加筋筒壁的承载能力,分析筋条间距、筒段长度和四种典型工程筋条截面的影响;以结构轻重量为目标函数,结构临界屈曲载荷、筋条局部屈曲载荷为约束,采用梁轴惯性矩平移模型,对复合材料筒壁0°、±45°、90°各铺层总厚度和筋条截面尺寸进行优化。结果表明结构轻重量设计中τ型桁条最有利,并得到其设计曲线,为工程设计应用提供参考。     

桁架结构尺寸和形状协同优化方法研究

在满足特定规范和约束条件下,设计出重量最轻的结构具有重要的工程意义。提出一种桁架结构形状、尺寸并行协同优化方法,该方法将桁架结构优化问题拆分为形状优化和尺寸优化两个子问题,通过并行协调实现尺寸设计变量和形状设计变量同时达到最优解;完成了三个典型桁架结构形状优化算例,结果表明：该方法对于桁架结构形状优化可行,且算法简洁,收敛快。     

复合材料加筋板剪切后屈曲分析与优化设计

为了充分利用复合材料加筋板的后屈曲承载能力,针对复合材料加筋板的后屈曲行为开展优化设计方法的研究具有重要意义。详细探讨了筋条尺寸及密度等参数对承受面内剪切载荷作用下的复合材料双向加筋板屈曲后屈曲的影响规律。建立了复合材料加筋板考虑后屈曲响应的结构分级优化方法:在一级优化中以结构几何尺寸为设计变量,使用响应面法(RSM)拟合出结构后屈曲响应的全局近似函数,结果显示,加筋缘条的宽度及加筋的密度对屈曲承载能力有重要影响;在二级优化中采用遗传算法(GA)对复合材料铺层顺序进行优化,经过两级优化后的复合材料加筋板相比于初始设计在质量减少了3%的同时,线性屈曲位移提高了8.86倍,线性屈曲模态由局部屈曲改善为整体屈曲,同时结构的后屈曲承载能力提高了8.7%。基于解决旅行商问题(TSP)的遗传算法被调整用于固定铺层厚度的复合材料铺层顺序优化问题,经优化,结构线性屈曲特征值提高了12.76%,表明了优化方法的可行性。     

考虑层间应力的厚复合材料结构多级优化设计方法

充分发挥复合材料的利用率,降低结构重量,厚复合材料结构优化设计是非常重要的。然而优化设计空间复杂,层间应力问题突出,离散设计变量等问题使得厚复合材料结构的优化变得十分困难。针对由铺层相同的子层板叠成的厚复合材料层合板结构的复杂优化问题,本文提出一种多级优化设计方法。第一级优化采用基于径向基神经网络代理模型的优化设计方法,设计变量为子层内层数及铺层比例;第二级优化分为两个层次进行,系统层以结构重量最轻为目标,设计变量为子层数,子系统层采用遗传算法优化铺层顺序,以层间应力因子最小为目标。结合算例,通过Matlab编写遗传算法,并应用Isight集成Matlab来实现该优化设计方法。结果表明:本文提出的多级优化设计方法是有效的,能够很好地实现具有周期性铺层方式的厚复合材料层合板结构的优化设计。     

飞机总体设计的并行子空间算法

飞机设计是十分复杂的过程，它需要多个学科的综合协调及许多部门的共同合作。不同的学科之间存在着各种耦合关系。基于响应面的并行子空间算法通过将具有耦合的复杂系统进行分解，使其成为不同的子空间来处理解决耦合、非层次性的设计问题。通过响应面来完成各子空间之间的数据交换与协调，以此来逼近设计空间上的最优解。文中给出了一个飞机总体方案设计中解决飞机概念尺寸的算例，在子空间和系统层中均采用遗传算法进行优化，并与单级遗传算法的结果进行对比。研究表明，该算法能以较少的系统分析次数在设计空间内寻找出一个较好的设计方案，且具有较好的收敛性。     

基于Abaqus和modeFRONTIER的复合材料结构优化设计方法

复合材料结构优化设计包括几何尺寸、铺层层数和铺层顺序的优化设计,通常采用多级优化技术,将几何尺寸、铺层层数和铺层顺序逐级进行优化。本文使用一个十进制数字表示一个复合材料层合板的铺层顺序,作为铺层顺序的设计变量。将有限元软件Abaqus与优化软件modeFRONTIER集成,采用Python语言编写的铺层顺序的算法,对复合材料结构的几何尺寸、铺层层数和铺层顺序进行同步优化。     

均布平压下加筋板拓扑优化的工程方法

针对均布平压载荷下,四边简支的矩形加筋板,提出了一种基于传力路径的拓扑优化的工程方法。该方法首先运用工程近似方法获得均布平压载荷下四边简支的矩形基板的弯矩分布;根据基板的弯矩分布及给定筋条的承载能力,确定筋条的数目;根据筋条的布局情况确定基板的厚度。完成3个不同尺寸的加筋板算例,并与二级布局优化设计结果做了比较,结果表明,该方法不仅简单易行,且有很好的优化效果。     

飞行器结构布局与尺寸混合优化方法

针对飞行器结构轻量化设计中的布局和尺寸优化问题，提出了一种高效的混合优化方法。在传统的基结构优化方法中引入尺寸变量，构建结构布局与尺寸混合优化模型，并以遗传算法为基本搜索方法，设计了统一描述0-1型离散布局变量和连续尺寸变量的染色体，建立了结构布局与尺寸混合优化的求解流程。由于种群规模较大，在求解过程中引入了神经网络代理模型，通过预估种群个体的优劣，缩减每一代中需要精确计算的个体数目。以含有55个布局变量和55个尺寸变量的机翼结构优化问题作为算例，验证了该方法的可行性，优化结果相比传统基结构法减重13%,且引入代理模型可使计算成本降低约50%。     

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.     

Layout design of thin-walled structures with lattices and stiffeners using multi-material topology optimization

In this paper, the thin-walled structures with lattices and stiffeners manufactured by additive manufacturing are investigated. A design method based on the multi-material topology optimization is proposed for the simultaneous layout optimization of the lattices and stiffeners in thin-walled structures. First, the representative lattice units of the selected lattices are equivalent to the virtual homogeneous materials whose effective elastic matrixes are achieved by the energy-based homogenization method. Meanwhile, the stiffeners are modelled using the solid material. Subsequently, the multi-material topology optimization formulation is established for both the virtual homogeneous materials and solid material to minimize the structural compliance under mass constraint. Thus, the optimal layout of both the lattices and stiffeners could be simultaneously attained by the optimization procedure. Two applications, the aircraft panel structure and the equipment mounting plate, are dealt with to demonstrate the detailed design procedure and reveal the effect of the proposed method. According to numerical comparisons and experimental results, the thin-walled structures with lattices and stiffeners have significant advantages over the traditional stiffened thin-walled structures and lattice sandwich structures in terms of static, dynamic and anti-instability performance.     

某直升机全复合材料尾段结构优化设计研究

以蒙皮复合材料各方向铺层的厚度为设计变量,对直升机全复合材料尾段结构进行静力分析以及优化设计,使其在满足结构刚度、强度约束的条件下结构重量最轻.应用ANSYS软件,采用APDL参数化编程语言,实现参数化建模、静力分析以及优化设计.应用四种约束方法,提高优化结果的可靠性.优化结果表明,结构重量较初始经验设计减轻了50%左右,载荷分配更加合理,消除了一些应力集中现象,使其更好的满足全部的约束条件,达到预期的优化效果.     

工程化复合材料结构优化设计方法

复合材料结构的可设计性带来大量设计变量,单靠传统方法难以实现结构优化,复合材料结构优化的铺层优化设计也是关键问题之一。从工程实际出发,探讨具有工程操作性的复合材料结构优化设计方法,形成 从结构布置优化到初始尺寸优化,再到详细铺层优化的三级优化设计方法,并在设计过程中加入符合复合材料 工艺要求的制造性约束;以某飞机复合材料垂尾翼盒结构设计为例,采用该方法对其进行优化设计。结果表明:本文提出的三级优化设计方法是适用于航空复合材料结构优化设计的一种通用方法,可降低结构质量、缩短研制周期。     

复合材料蒙皮/长桁壁板结构优化设计

针对复合材料蒙皮、长桁组成的典型刀型加筋结构,提出了一个两级三层优化方法。第1级壁板结构的质量为目标函数,采用改进的可行方向法对壁板结构进行尺寸优化。第2级以壁板结构的屈曲临界载荷作为目标函数,采用多层复合形法对壁板结构进行加筋尺寸优化和遗传算法对复合材料蒙皮进行铺层顺序优化。最后通过算例验证了优化策略的合理性。     

基于遗传算法的复合材料泡沫夹层板铺层优化设计

机翼中泡沫夹芯结构的使用可以有效降低结构元件的重量,因此对复合材料泡沫夹层板的优化设计研究显得十分重要。基于遗传算法设计可以同时进行铺层角度和铺层厚度的优化算法,在该优化算法中采用分区优化技术及浮点数编码对铺层角度和铺层厚度设计变量进行设计。使用上述优化方法对复合材料机翼盒段泡沫夹芯蒙皮进行铺层优化设计,优化后的翼盒重量比优化前降低了38．2％。优化结果表明对复合材料机翼盒段夹芯蒙皮的优化设计可以有效地降低重量,为泡沫夹芯结构的使用提供一定的参考。     

T型长桁边缘倒角对蒙皮纤维屈曲的影响研究

文 摘 通常在复合材料加筋壁板结构先固化长桁,再将未固化的蒙皮与固化长桁进行共胶接过程中,由于辅助材料的架桥造成长桁边缘处蒙皮局部纤维屈曲。针对此类问题,研究了长桁边缘倒角角度、蒙皮厚度和蒙皮铺层角度3个因素对长桁边缘处蒙皮局部纤维屈曲程度的影响,并对纤维屈曲的原因和机理进行了分析。结果表明：减小倒角角度有利于减小蒙皮局部纤维屈曲的程度,同时纤维屈曲程度与蒙皮厚度呈正相关,与蒙皮铺层中90°铺层比例呈负相关。工程应用中,对长桁边缘适当倒角,在不使用工艺软模的条件下有利于提高复合材料加筋壁板的成型质量。