飞机结构多层次优化设计技术及COMPASS

主要介绍COMPASS的主要功能和关键技术。COMPASS作为一个多学科优化设计软件系统,分全机、翼面和壁板三个层次进行优化,综合满足气动、气弹、强度、刚度、振动稳定性和重量等要求。首先,利用最优准则法(满应力/应变法)处理强度约束获得全机结构的最佳尺寸,并提出了以分层厚度为设计变量、以应变能原理为基础的复合材料二级优化方法;其次,利用数学规划法对翼面结构进行满足刚度、振动、颤振和静弹等要求的多约束优化,并且能够对机翼进行气动弹性剪裁和载荷弹性修正;最后,对加筋壁板进行稳定性分析和优化设计,寻找满足稳定性要求的最佳型材类型和截面尺寸。大量工程应用表明,COMPASS方法准确、技术实用、设计效率高,是飞机结构概念设计和初步设计阶段非常有效的设计手段。     

曲线纤维复合材料后掠机翼的颤振特性优化

曲线纤维铺层是制造变刚度复合材料层合板的一种新技术,本文以12层曲线纤维复合材料后掠机翼为研究对象,研究了不可压缩流动中后掠机翼的颤振特性优化,分析了纤维方向、优化层数和铺层厚度对颤振特性的影响。数值仿真中分别采用有限元法和高阶面元法建立后掠机翼的结构模型和气动力模型,利用VG法求解后掠机翼的颤振边界。计算结果表明,后掠机翼全部铺层采用曲线纤维时优化后颤振速度,比仅最外层采用时提高31.1%,比全部铺层采用直线纤维时优化后颤振速度提高14.3%。铺层全部采用二维方向可变曲线纤维时的颤振速度比一维角度可变的颤振速度仅提高1.7%,证明纤维方向沿展向可变对颤振边界影响更大。纤维方向和厚度共同优化时,在不改变后掠机翼总厚度的情况下可使后掠机翼的颤振速度再次提高5.4%。研究表明,采用曲线纤维进一步提高了复合材料层合板的可设计性,通过调整曲线纤维路径可以明显改变复合材料后掠机翼的颤振特性。     

基于NASTRAN的某复合材料机翼综合优化设计

基于NASTRAN软件,研究了在机翼打样设计阶段考虑颤振约束条件进行结构综合优化设计的方法.气动载荷采用亚音速偶极子格网法计算,颤振分析采用v-g法,优化中以最小质量为设计目标,设计变量为蒙皮铺层参数.对某复合材料后掠翼进行优化设计,设计结果满足静强度和刚度要求,颤振性能大幅度提高,对工程设计具有一定的参考作用.     

气动加热环境下大攻角翼面超音速颤振分析

研究大攻角翼面超音速热颤振的分析方法,内容包括气动加热、温度场、热应力和热模态分析,大攻角翼面非定常气动力计算和热颤振分析。提供了一套从流场分析开始到颤振临界参数搜索的一体化热颤振工程分析方法。气动力方面,应用激波膨胀波理论计算大攻角翼面的当地流场参数;应用参考焓方法计算大攻角翼面气动加热的热流密度;以当地流活塞理论计算翼面超音速非定常气动力。结构方面,利用有限元方法进行翼面瞬态温度场和热模态分析,然后用模态叠加法建立颤振运动方程;应用状态空间法和时域递推积分的方法求解颤振运动方程。工程实例的热颤振分析表明,在Ma〉3的高马赫数下热颤振临界动压比常温的颤振临界动压明显下降,高马赫数下翼面的热颤振分析在工程设计中值得重视。     

外挂物、副翼操纵刚度对机翼颤振特性的影响

本文采用气动弹性模型试验的方法,研究了外挂物重量、悬挂位置和不同的副翼操纵系统刚度对机翼低速颤振特性的影响。气动弹性模型是严格地按相似律的要求进行设计的,由于机翼是对称的,故仅设计了半机翼。而试验既进行了地面振动试验,也进行了风洞试验。文中对试验结果进行了分析。最后,提出两点意见供飞机防颤振设计人员参考:1.副翼的旋转运动是发生主翼面-副翼耦合颤振的主要影响因素,故与操纵系统刚度密切相关的副翼旋转频率值对机翼防颤振设计极为重要。2.机翼携带翼下外挂物,使机翼临界颤振速度明显下降;在设计状态下,外挂物位于机翼内侧的状态与位于外侧的状态相比,机翼临界颤振速度降低更显著。     

复合材料加筋壁板灵敏度分析及优化设计

本文基于面内刚度系数和弯曲刚度系数建立了模拟复合材料层合板的等效刚度法,该方法充分考虑了层合板的面内刚度和弯曲刚度特性,与原始层合板具有相同的面内刚度和弯曲刚度。采用等效刚度法建立复合材料L型加筋壁板的有限元模型,基于二级优化策略对加筋壁板进行了以最小重量为目标的优化设计,其中一级优化是以铺层厚度和弯曲刚度系数为设计变量的重量最小化设计,二级优化则是调整铺层顺序,以满足最优化的弯曲刚度系数。在L型加筋壁板的优化设计中,首先通过实验设计对目标和约束进行了灵敏度分析,然后在此基础上对L型加筋壁板进行了以强度、刚度、稳定性等为约束条件的轻量化设计。     

复合材料机翼结构形状/尺寸综合优化设计

提出了一种复合材料机翼结构的形状／尺寸综合优化设计方法,对形状／尺寸综合优化问题进行解耦处理,得到了一种双层循环优化策略。采用均匀设计法给出若干样本点,使用准则优化手段进行尺寸优化设计,构造了形状设计变量与尺寸优化结果之间的二次多项式响应面模型,采用复合形法完成了基于响应面的形状优化设计。最后,对某型大展弦比飞翼结构进行了优化设计。优化算例结果表明,所提方法可行且有效,有较高的优化效率。     

高超声速飞行器地面颤振评估技术研究

针对高超声速飞行器飞行过程中颤振边界变动范围大、试验测试难的问题,本文开展了考虑气动热效应的翼面结构地面颤振试验技术研究。首先基于工程法对结构所受的气动加热进行了分析,在此基础上开展了结构的热颤振特性评估并作为地面颤振试验结果的参考标准。考虑实际飞行中结构温升效应影响,建立了基于多工况点的气动力综合优化降阶算法,确保了整个温升过程的气动力模拟的精度。通过建立基于模糊逻辑比例、积分和微分（Proportional integral derivative,PID）控制的多点协调控制系统,实现了温升过程中时变系统的激振力控制器设计。最终搭建了地面颤振试验系统,按照典型飞行状态对结构的热颤振特性进行了测试,试验测试结果与仿真结果对比相对误差约10%。     

复合材料层板弯曲问题优化设计

研究固定纤维指向，对称铺层复合材料层板在弯曲载荷作用下，以铺层厚度为设计变量，结构重量为目标函数，分别同时承受强度约束位移约束的约束的优化设计方法。     

复合材料蜂窝夹层进气道结构优化设计方法

研究了一种以全局响应面算法为基础的复合材料蜂窝夹层结构进气道优化设计技术。该技术以复合材料蜂窝夹层进气道结构为研究对象,以结构重量最轻为目标,结合工程实际生产工艺和复合材料结构设计一般原则,使面板各方向角铺层厚度和蜂窝芯材厚度均选用离散变量,同时约束复合材料蜂窝夹层结构的各种失效模式以及进气道工作环境的频率需求。最后通过算例验证了此优化设计方法的可行性。     

带翼梢外挂的CK1机翼颤振分析

本文根据颤振运动方程,应用v～g参数法和非定常气动力的偶极子格网法计算了CK1机翼翼尖带外挂物红外器时的颤振,分析了翼尖外挂物对机翼颤振的影响,确定翼尖外挂有利的配置方案.计算结果表明CK1机翼的颤振对梢部的重量分布是敏感的,红外器的弦向位置及翼尖配重布置得当,则可提高颤振速度,否则也可降低颤振速度。     

基于等效刚度矩阵的复合材料机翼盒段优化设计

通过刚度矩阵转换,将复合材料层合板等效成正交各向异性材料板,并采用beam单元模拟加筋桁条。将机翼盒段的蒙皮厚度和加筋桁条面积作为设计变量,机翼盒段的质量作为目标函数,运用多岛遗传算法和序列二次规划算法相结合的优化方法,对多变量、多约束条件下的大展弦比复合材料机翼进行结构优化设计。通过算例分析,机翼的复合材料结构质量下降了9.55%,优化时间较短。     

颤振主动抑制系统的试验研究

作者以一个小展弦比的三角机翼模型为对象,完成了颤振主动抑制系统的试验研究。风洞试验结果说明,采用颤振主动抑制控制系统后,机翼的颤振临界速度可提高37％。文中还提出了气动弹性系统特性,包括(开环)超临界频响函数的测试方法,试验结果和理论分析结果较为一致。     

动力学参数对倾转旋翼机气弹稳定性的影响研究

在建立倾转旋翼机飞机模式和直升机模式下的旋翼/短舱/机翼系统耦合气弹动力学分析模型的基础上,分析了倾转旋翼、机翼动力学参数对倾转旋翼机气弹稳定性的影响,得到了不同动力学参数对前飞时回转颤振速度和悬停时模态阻尼的影响曲线,对于倾转旋翼机动力学设计具有理论指导意义.     

FUSELAGE STRUCTURAL OPTIMIZATION WITH MSC／MOD PRE－PROCESSING AND MSC／PAL2 POST－PROCESSING

ＦＵＳＥＬＡＧＥＳＴＲＵＣＴＵＲＡＬＯＰＴＩＭＩＺＡＴＩＯＮＷＩＴＨＭＳＣ／ＭＯＤＰＲＥ－ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧＡＮＤＭＳＣ／ＰＡＬ２ＰＯＳＴ－ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ￥ＣｈｅｎＭｕｌａｎ（ＲｅｓｅａｒｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｉｌｏｔｌｅｓｓＡｉｒｃｒａ...     

结构多目标模糊优化设计

在传统结构优化设计的基础上。首次考虑疲劳断裂因素的影响,建立了以结构的静强度、疲劳、断裂、振动性能为模糊约束条件,以结构重量、疲劳寿命和断裂寿命为多个目标的结构多目标模糊优化设计模型。以此模型对一双梁式平直机翼进行了优化设计,设计结果表明：模糊多目标优化设计得到了比确定性多目标优化设计更小的翼梁总截面积;模糊优化设计放宽了对约束条件的限制,材料得到了更加有效的利用。     

带有传动机构的翼段颤振半主动抑制

尝试了将磁流变阻尼器安装于机翼操纵面传动机构上的布局，并由此建立了非定常气动力下机翼-操纵面-传动机构的气动弹性动力学方程，利用on—off控制算法对系统进行颤振抑制，并且研究了控制延迟时间、控制电压以及阻尼器滞回宽度等参数对控制效果的影响。计算机仿真结果表明，控制延迟时间和控制电压对颤振临界速度有较明显的影响，而阻尼器的滞回宽度的影响不大，在本文的阻尼器安装布局和控制策略下，系统的颤振临界速度至少提高了17％。