[發明專利]一種考慮氣動彈性約束的復合材料機翼多目標優化設計方法

有效

• 申請號: 201310607041.2
• 申請日: 2013-11-26
• 公開（公告）號: CN103646131B
• 公開（公告）日: 2017-03-08
• 發明（設計）人: 向錦武;李道春;趙仕偉
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所11121
• 代理人: 姜榮麗

技術領域

本發明是一種復合材料機翼優化設計方法，更具體地說，是一種考慮結構、氣動彈性約束的復合材料機翼多目標優化設計方法。

背景技術

飛機結構減重是飛行器設計的重要內容。復合材料是兩種或多種不同性質的材料通過物理或者化學方法制成的新型材料。它具有比強度、比剛度高、熱膨脹系數小、耐疲勞、抗腐蝕、制造周期短和維修方便等優點。在加工成型過程中可以通過合理鋪層，提高飛機強度、剛度，從而減小飛機重量。在滿足強度、剛度的同時，可以進行復合材料氣動彈性剪裁，即通過調整復合材料的剛度方向及變形耦合來控制機翼結構的靜和動的氣動彈性變形，從而提高飛機性能。

顫振是結構彈性、慣性力與非定常氣動力耦合引發的氣動彈性不穩定。顫振會給飛機帶來巨大的風險，在瞬間造成機翼破壞。在現代飛機設計中，顫振約束是機翼設計的重要設計約束之一。飛機的臨界顫振速度與機翼的重量分布、剛度分配等相關，而復合材料的可設計性，使得通過調整復合材料鋪層滿足飛機顫振約束成為可能。

飛行器在空中飛行時不可避免地會受到大氣擾動的影響。由離散陣風或連續陣風產生的附加氣動力，引起飛行器的剛體運動和彈性振動。飛機在高速巡航、轉彎飛行中常受到強烈陣風干擾，不僅使飛機產生不期望的附加過載，而且容易振動、顛簸，影響飛機的操縱性、穩定性，使乘坐品質下降。因此，在進行機翼優化設計時，將陣風響應作為目標函數具有重要意義。

以往的復合材料機翼優化設計通常僅以結構重量為目標函數，未同時考慮陣風響應，導致最小重量和最小陣風效應振幅兩個目標相矛盾。因此為滿足陣風響應設計要求，往往仍需采取增加結構重量手段減小陣風響應最大幅值，影響了飛機性能。

發明內容

本發明的目的在于針對現有設計方法未同時考慮最小重量和最小陣風響應兩個目標函數的缺點，提供一種同時考慮重量和陣風響應的復合材料機翼多目標優化設計方法。通過采用有限元技術，實現定量分析，快速有效，便于技術人員掌握。

本發明提供的考慮考慮氣動彈性約束的復合材料機翼多目標優化設計方法，包括以下步驟：

(1)建立有限元模型，計算初始應力、應變、顫振速度、顫振頻率、陣風響應，并以此為比較標準；

(2)重量優化：將復合材料的鋪層厚度和鋪層方向作為設計變量，以滿足結構的強度、剛度、顫振條件為約束條件，以結構重量為目標函數。通過優化計算，可得到一個基于上述約束條件的最小重量機翼；

(3)陣風響應優化：將復合材料的鋪層方向作為設計變量，采用步驟（2）重量優化中設計的鋪層厚度，以滿足結構的強度、剛度、顫振條件為約束條件，將陣風響應設為目標函數。通過優化計算，可得到一個基于上述約束條件下的最小陣風響應機翼；如果該機翼滿足陣風響應設計要求，則優化設計結束；否則轉步驟（4）。

(4)第二次重量優化：將復合材料的鋪層厚度設為設計變量，采用步驟（3）中設計的鋪層方向，以滿足結構的強度、剛度、顫振、陣風響應為約束條件，將結構重量設為目標函數。通過優化計算，可得到一個基于上述約束條件的最小重量機翼，優化設計結束；

本發明提供的方法與已有復合材料機翼優化設計方法相比，優點在于：

(1)同時考慮了機翼重量和陣風響應兩個目標函數，而傳統優化設計方法僅考慮了重量或陣風響應單一目標函數。

(2)在陣風響應優化階段，僅以復合材料的鋪層方向作為設計變量。這種分步優化方法使得在不改變機翼重量的情況下，最大限度地發揮復合材料鋪層優勢，僅通過優化鋪層方向便可滿足陣風響應設計要求。

(3)如果僅通過更改鋪層方向無法實現陣風響應優化設計目標，可選擇考慮陣風響應要求的進一步重量優化。

附圖說明

圖1是本發明優化設計方法的流程圖；

圖2是本發明優化設計實例中重量優化的收斂過程圖；

圖3為本發明優化設計實例中陣風響應優化的收斂過程圖；

圖4為本發明優化設計實例中第二次重量優化的收斂過程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。

本發明提供的基于氣動彈性約束的復合材料機翼多目標優化設計方法，具體實施方式包括三個優化設計階段（重量優化、陣風響應優化和第二次重量優化），4個小步驟，結合圖1，具體實現步驟如下：

第一步，建立有限元模型與初始模型分析：