[發(fā)明專利]一種無人直升機(jī)機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810223117.4
• 申請(qǐng)日: 2018-03-19
• 公開（公告）號(hào): CN108664685A
• 公開（公告）日: 2018-10-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周堯明;馬云鵬;王凱鵬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 北京慧泉知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

本發(fā)明涉及一種無人直升機(jī)機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法：步驟一、建立機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有限元模型；步驟二、確定外載；步驟三、選取優(yōu)化參數(shù)；步驟四、進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算。本發(fā)明采用曲面和線框?qū)φ鎸?shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，以便于套用有限元中的梁和板殼構(gòu)件來進(jìn)行模擬；采用固支連接和鉸支連接分別施加邊界條件，保留了結(jié)構(gòu)連接中的所有連接方式的固有特性；將重力和過載的附加力都簡(jiǎn)化為過載附加力，簡(jiǎn)化了外載的施加方式；選取梁?jiǎn)卧暮穸茸鳛閮?yōu)化參數(shù)，不改變主體框架的外形；采用了經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化與算法優(yōu)化結(jié)合的方式，加快了優(yōu)化方法的計(jì)算速度。綜上，本發(fā)明是一種高效、通用的無人直升機(jī)機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及航空宇航科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，提出了一種無人直升機(jī)機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)

無人直升機(jī)是指通過無線電地面遙控飛行或者自主控制飛行的可垂直起降的旋翼動(dòng)力不載人飛行器，它具備垂直起飛、空中懸停以及前后左右飛行等特點(diǎn)。無人直升機(jī)的高機(jī)動(dòng)性和輕便隱蔽性使得世界各國(guó)將其列為軍事發(fā)展的一個(gè)重要內(nèi)容，在軍事戰(zhàn)場(chǎng)中的用途十分廣泛，主要包括軍事偵察和和軍事通信兩個(gè)方面；在民用方面，主要應(yīng)用于勘測(cè)、航拍、巡線、滅火救災(zāi)等方面。

有人直升機(jī)機(jī)身內(nèi)部的主要空間是駕駛員和乘員的座艙，需要配備座椅、地板、艙門、擋風(fēng)玻璃等設(shè)施以提供較為舒適的駕乘空間和良好的視野；而無人直升機(jī)不需要考慮這些為駕乘人員服務(wù)的設(shè)施，無人直升機(jī)的機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊湊，主要構(gòu)成部分是實(shí)現(xiàn)無人飛行所需的航電設(shè)備以及航電設(shè)備的安裝支架。無人直升機(jī)的機(jī)身設(shè)計(jì)可分為機(jī)身外形設(shè)計(jì)和機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在無人直升機(jī)的機(jī)身外形設(shè)計(jì)中不用考慮駕乘人員對(duì)視野的要求，機(jī)身設(shè)計(jì)更為修長(zhǎng)可以有效減少空氣阻力；機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮航電設(shè)備的安裝和維護(hù)，同時(shí)具有足夠的強(qiáng)度和可靠性。外形設(shè)計(jì)和機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二者相互影響，在設(shè)計(jì)中一般需要迭代進(jìn)行。

無人直升機(jī)機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化是機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)后續(xù)工作，在不改變機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體框架的基礎(chǔ)上通過優(yōu)化機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布局和尺寸，實(shí)現(xiàn)在滿足所需的強(qiáng)度和可靠性的基礎(chǔ)上使機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)總重量最小，從而實(shí)現(xiàn)減輕重量的目的。初步設(shè)計(jì)的機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)往往既無法滿足強(qiáng)度、可靠性，又在重量方面具有一定的優(yōu)化空間。機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化正是在重量和強(qiáng)度、可靠性之間找到一個(gè)權(quán)衡，用最小的結(jié)構(gòu)重量得到所需的強(qiáng)度和可靠性。

本發(fā)明提出一種無人直升機(jī)機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，給出了在工程上可以切實(shí)操作的實(shí)現(xiàn)步驟，用于無人直升機(jī)機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，在滿足強(qiáng)度和可靠性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)最小的結(jié)構(gòu)重量。

發(fā)明內(nèi)容

<1>發(fā)明目的

本發(fā)明目的在于提出一種無人直升機(jī)機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，在維持初始機(jī)身外形和機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，用最小的結(jié)構(gòu)重量實(shí)現(xiàn)所需的強(qiáng)度和可靠性。

<2>技術(shù)方案

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：首先，以曲面和線框?qū)o人直升機(jī)機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，用曲面代替框架、面板等板材部分，用線框代替鋼架和筋條等型材部分，在對(duì)應(yīng)的有限元模型中用板殼來模擬曲面、用梁來模擬線框，并根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)中固支連接和鉸支連接的不同分別施加有限元模型中的邊界條件；其次，確定上下前后左右6個(gè)方向的過載系數(shù)作為外載的來源，取各個(gè)航電設(shè)備的質(zhì)心位置作為加載點(diǎn)；然后，選取梁?jiǎn)卧孛娴暮穸茸鳛閮?yōu)化參數(shù)，以結(jié)構(gòu)應(yīng)力作為優(yōu)化指標(biāo)，在滿足一定應(yīng)力范圍內(nèi)讓截面厚度最小從而使得結(jié)構(gòu)重量最輕；最后的優(yōu)化過程采用經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化與優(yōu)化算法全局尋優(yōu)組合的方法進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化由設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)初期通過人工計(jì)算的方式、根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整結(jié)構(gòu)中的厚度尺寸獲得提高強(qiáng)度減輕整體重量的作用，算法優(yōu)化采用尋優(yōu)算法利用數(shù)值方法進(jìn)行求解。本發(fā)明的整體流程圖見附圖1。

本發(fā)明提出一種無人直升機(jī)機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，具體包括如下步驟：

步驟一、建立機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有限元模型